Контрольні питання

1. Що показує рН розчину?

2. Що називають активною кислотністю розчину?

3. Що називають загальною кислотністю розчину?

4. Що називають гідролізом солей?

5. Які солі піддаються гідролізу?

6. Що називають буферними розчинами?

7. Яке значення буферних розчинів для живих організмів?

8. Які реакції називають окисно-відновними?

9. Як за стандартними електродними потенціалами можна визначити напрямок самочинного перебігу окисно-відновних реакцій?.

10. Дисоціація комплексних сполук.

Список рекомендованої літератури:

1. Основи екологічної хімії: Підручник / Б.М. Федишин, В.І. Дорохов, Г.В. Павлюк, Е.А. Головко, Б.В. Борисик; За ред.. Б.М. Федишина. – Житомир: Видавництво "Державний агроекологічний університет", 2006. – 500 с.

2. Загальна та біонеорганічна хімія / О.І. Карнаухов, Д.О. Мельничук, К.О. Чеботько, В.А. Копілевич. – К.: Феніск, 2002. 578 с. – Вінниця: Нова книга, 2003. - 544 с.

Тема 4. Радіація та радіоактивне забруднення навколишнього середовища

План

1. Ізотопи.

2. Природна радіація та її джерела.

3. Типи ядерних реакцій. Основні види випромінювання.

4. Штучна радіоактивність

5. Біологічна дія радіації.

Ключові слова: ізотопи, радіоактивність, природний радіаційний фон, ядерні реакції, штучна радіоактивність, дезактивація

4.1. Ізотопи. Згідно з протонно-нейтронною теорією, атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів, які об’єднуються під загальною назвою нуклони.

Протон р – елементарна частинка з масою 1,007276 а.о.м. і зарядом +1.

Нейтрон n – елементарна електронейтральна частинка з масою 1,008665 а.о.м.

Маса атома зосереджена в його ядрі, тому сума мас протонів і нейтронів у ядрі дорівнює відносній атомній масі. Число протонів у ядрі дорівнює порядковому номеру елемента. Число електронів, що рухаються навколо ядра, дорівнює кількості протонів у ядрі. Число нейтронів у ядрі дорівнює різниці між масовим числом і порядковим номером елемента.

Атоми того самого хімічного елемента, ядра яких мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів і різні атомні маси називаються ізотопами. Ізотопи мають однакові хімічні властивості, але відрізняються фізичними властивостями і, зокрема, стійкістю (стабільністю).

Стабільність і нестабільність залежить від співвідношення протонів і нейтронів. Встановлено, що стійкі ізотопи мають парне число протонів і парне число нейтронів у ядрі. Нестійкі ядра атомів непарних елементів і особливо ядра з непарним числом протонів і нейтронів в ядрі.

Найважливіша властивість нестійких нуклідів – це внутрішньоядерні перетворення, внаслідок яких відбувається спонтанне випромінювання частинок і променів, що іонізують навколишнє середовище.

4.2. Природна радіація та її джерела.

Радіоактивність – це здатність ядер деяких хімічних елементів спонтанно перетворюватися в ядра інших хімічних елементів з виділенням енергії у вигляді іонізуючого випромінювання.

Радіоактивні атоми називаються радіонуклідами. Всі елементи періодичної системи з порядковими номерами Z > 83, розміщені за Бісмутом радіоактивні. У важких елементів, ядра яких складаються з великої кількості частинок ядерні сили притягання вже не спроможні компенсувати кулонівські сили відштовхування. Тому починається внутрішня перебудова ядер і спонтанний перехід ядер від менш стійкого стану до більш стійкого.

Вперше явище радіоактивності було відкрито в 1896 році французьким фізиком А.Бекерелем, а α і β-випромінювання – в 1899 році англійським фізиком Резерфордом.

Радіоактивність, яку виявляють ізотопи елементів, що існують у природі, називають природною радіоактивністю.

Природні джерела іонізуючого випромінювання:

• космічне випромінювання;

• природні натуральні джерела;

• технологічні природні джерела.

Космічне випромінювання складається з галактичного і сонячного, яке пов’язане з сонячними спалахами. Інтенсивність космічного випромінювання залежить від сонячної активності, географічного розташування об’єкта і висоти над рівнем моря.

У біосфері землі є більше 60 природних радіонуклідів, які можна розділити на три групи:

І – ряд довго живучих радіонуклідів, які входять до складу Землі з часу її утворення – природні радіоактивні ряди;

ІІ – радіонукліди, що не утворюють радіоактивного ряду і генетично не пов’язані з ним (⁴⁰К, ⁴⁰Са, ¹³⁰Те , ⁸⁷Rb, ¹³⁸La, ¹⁴⁷Sm);

ІІІ – космічні радіонукліди, які виникають в біосфері в результаті ядерних реакцій під впливом космічних випромінювань. Утворюються в атмосфері в результаті взаємодії протонів і нейтронів з ядрами азоту, кисню і аргону, а далі потрапляють на земну поверхню з атмосферними опадами.

Найбільш вагомими з усіх природних джерел радіації є полоній-210, калій-40 і особливо радон-220 і 222. Усі джерела радіоактивного випромінювання становлять природний радіаційний фон, під яким розуміють дозу іонізуючого випромінювання, що складається з космічного випромінювання, випромінювання природних радіонуклідів, які знаходяться у верхніх шарах Землі, приземній атмосфері, продуктах харчування та організмі людини.

На планеті є місця, де рівні радіаційного фону підвищені внаслідок значних покладів радіоактивних матеріалів. Аномальні райони в Україні - Хмельник, Миронівна, Жовті Води, Дніпропетровська, Кіровоградська і Миколаївська області, де знаходяться рудники з видобування урану (природний фон в десятки і сотні разів більше, ніж на іншій території).

3. Типи ядерних реакцій. Основні види випромінювання. До основних видів радіоактивного розпаду відносять α-розпад, β-розпад, електронне захоплення і спонтанний поділ. Всі види радіоактивності супроводжуються виділенням енергії, головним чином у вигляді γ-випромінювання.

При α-розпаді ядро ізотопу випромінює α-частинку (ядро атома ⁴₂Не); заряд вихідного ядра при цьому зменшується на 2 одиниці, а масове число – на 4 одиниці. Утворюється ізотоп нового елемента. Зміщеного в періодичній системі на дві клітини вліво від вихідного елемента.

α-розпад характерний для важких елементів (урану, торію, плутонію та ін.):

При β^- - розпаді ядро випромінює β^- - частинку (електрон) завдяки перетворенню одного нейтрона ядра у протон за схемою:

Внаслідок β^- - розпаду заряд ядра зростає на одиницю, а масове число не змінюється. Утворюється ізотоп нового елемента, зміщеного в періодичній системі на одну клітину вправо від вихідного елемента, наприклад:

.

β^- - розпад характерний і для природних, і для синтетичних ізотопів, а особливо для елементів першої половини періодичної системи.

При позитронному β⁺ - розпаді ядро випромінює позитрон β⁺ . В основі цього виду розпаду лежить перетворення протона в нейтрон за схемою:

Внаслідок β⁺ - розпаду заряд ядра зменшується на одиницю, а масове число не змінюється; утворюється ізотоп нового елемента, зміщеного в періодичній системі на одну клітину вліво:

β⁺ - розпад характерний для ядер легких елементів із меншою кількістю нейтронів, ніж протонів, одержаних лише синтетичним шляхом.

Електронне захоплення полягає у захопленні ядром електрона з найближчих енергетичних рівнів, при цьому протон ядра перетворюється на нейтрон:

.

Внаслідок електронного захоплення заряд ядра зменшується на одиницю при незмінному масовому числі. Утворюється ізотоп нового елемента, зміщеного в періодичній системі на одну клітину вліво. Наприклад:

Електронне захоплення супроводжується рентгенівським випромінюванням.

Спонтанний (самовільний) розпад – це поділ важкого ядра з утворенням двох (рідше трьох або чотирьох) ядер ізотопів елементів середини періодичної системи. Поділ важких ядер супроводжується випромінюванням кількох нейтронів і виділенням величезної енергії ≈ 200 МеВ. Цей вид розпаду характерний для Урану і трансуранових елементів.

Основні види випромінювання:

α-випромінювання – це потік позитивно заряджених частинок (ядер атома ⁴₂Не). Проникаюча здатність α-частинок невелика. При зовнішньому опромінюванні значної небезпеки для людини вони не становлять. Однак небезпека стає великою в разі проникнення α-частинок в середину організму, внаслідок їх великої іонізуючий здатності.

β-випромінювання – це потік від’ємно або позитивно заряджених частинок (електронів або позитронів), які виділяються з ізотопів. Вони у 7300 разів легше за α-частинки і мають значно вищу проникаючу здатність. Однак густина іонізації значно менше ніж у α-частинки.

γ-випромінювання – це електромагнітне випромінювання високої енергії, яке поширюється з швидкістю світла. Чим менша довжина хвилі, тим вища енергія випромінювання і більша його проникаюча здатність.

Нейтронне випромінювання – потік нейтральних частинок, проникаюча здатність яких дуже висока, вони можуть вільно проникати через тіло людини і більш щільне середовище. Нейтрони самі по собі не викликають іонізації, але створюють наведену радіоактивність (вибиваючи атоми з їх стабільних станів) у матеріалах і тканинах, крізь які проходять.

За характером впливу на об’єкти навколишнього середовища розрізняють:

1. проникаюча здатність – здатність проникати через різні товщі матеріалів;

2. іонізуюча здатність – здатність іонізувати атоми і молекули речовини, у який вони поширюються.

Чим більша маса частинок, тим більша їх іонізуюча здатність і тим менша довжина пробігу в навколишньому середовищі. Отже, α-частинки мають найбільшу іонізуючу і найменшу проникаючу здатність; γ-промені і нейтрони мають найбільшу проникаючу і найменшу іонізуючу здатність. Таким чином основну небезпеку для людей при зовнішньому опромінюванні становлять нейтрони і γ-промені, а при внутрішньому опроміненні (при попаданні радіонуклідів усередину організму) – α і β-частинки.

4.4. Штучна радіоактивність. Штучна радіоактивність виникає внаслідок ядерних реакцій. Була відкрита в 1933 р. І. Кюрі і Ф. Жоліо-Кюрі.

Ядерні реакції відбуваються при взаємодії ядер атомів із нейтронами, протонами, α-частинками, ядрами інших атомів, γ-випромінюванням, у результаті чого атоми одного елемента перетворюються в атоми іншого елемента. Бомбардуючи частинка повинна мати досить велику енергію (10¹⁰ еВ і більше) для подолання сил кулонівського відштовхування з вихідним ядром. Внаслідок зіткнення бомбардуючої частинки з ядром-мішенню утворюється проміжне, нестійке ядро, яке через ≈ 10^-7 с розпадається, перетворюючись на ядра нових ізотопів із випромінюванням елементарних частинок, γ-квантів та ін.

Поділ ядер Урану тепловими нейтронами супроводжується виділенням колосальної енергії:

В ході реакції поділу на один затрачений нейтрон припадає 2-3 нових, тому реакція ядер атомів Урану є ланцюговою, яка відбувається практично миттєво, як вибух; на ній базується дія атомної бомби.

Це відкриття (1939 р.) започаткувало атомну енергетику. Керовані реакції поділу ядер U, Pu використовується в ядерних реакторах і служать для виробництва електричної енергії. При розпаді 1 г урану виділяється 7,5·10⁷ кДж енергії, більше ніж спалювані 2 т високоякісного вугілля.

Важливим видом ядерних реакцій є термоядерні реакції синтезу більш важких елементів із ядер легких елементів. Ці реакції відбуваються за дуже високих температур понад 1 млн. градусів. Прикладом термоядерної реакції є синтез ядер Гелію з ядер Гідрогену:

Термоядерні реакції супроводжуються виділенням величезної енергії. Некеровані термоядерні реакції відбуваються при вибуху водневої бомби; використання їх для виробництва енергії – справа майбутнього.

Штучні джерела іонізуючого випромінювання:

• уранова і радіохімічна промисловість, підприємства ядерної енергетики;

• ядерні вибухи при випробуванні ядерної зброї;

• застосування радіонуклідів у народному господарстві і в побуті;

• застосування радіонуклідів у медицині.

Це створює реальні умови для додаткового понад фонового опромінення. Нині головними джерелами радіоактивних забруднень біосфери є радіоактивні аерозолі, які потрапляють у атмосферу під час випробувань ядерної зброї, аварії на АЕС та радіоактивних виробництвах, а також радіонуклідів, що виділяються з радіоактивних відходів, відпрацьованих атомних реакторів, устаткування, заборонених на суші й у морі.

Під час аварій атомних реакторів, розгерметизації захоронень радіоактивних відходів радіаційний бруд розповзається на десятки й сотні кілометрів, внаслідок наземних ядерних вибухів – по всій планеті. Таким чином, у сучасних умовах, за наявністю високого природного радіаційного фону, кожний житель України щорічно одержує ефективну еквівалентну дозу у середньому 4,75 мЗв.

4.5. Біологічна дія радіації. Усі види іонізуючого випромінювання надто руйнівно діють на живий організм.

Особливості радіації:

1) Радіація не має смаку і запаху, її не можна побачити і почути. Тому вплив радіації на організм людина не відчуває.

2) Наявність прихованого (інкубаційного) періоду виявлення дії іонізуючого випромінювання. Видиме ураження шкірного покриву, нездужання виявляються не відразу, а через деякий час. Цей період може тривати досить довго, в залежності від дози опромінення.

3) При систематичному попаданні в організм людини радіоактивних речовин відбувається накопичення малих доз, що призводить до променевої хвороби.

4) Радіація може впливати на організм людини як безпосередньо (соматичне ураження), так і виявлятися у нащадків (генетичний ефект).

5) Радіоактивні речовини відкладаються вибірково в різних органах і частинах тіла людини (радіонукліди йоду в щитовидній залозі концентруються в 100-200 разів більше ніж в других органах).

6) Наслідки опромінення однаковими дозами для різних живих організмів неоднакові. Чим більш примітивна будова організму, тим більшу стійкість до впливу радіації він має.

7) Ефект опромінення залежить не тільки від дози радіації, але і від часу, протягом якого одержана ця доза.

Вражальна дія радіоактивних випромінювань пов’язана з опроміненням, яке буває зовнішнім і внутрішнім. Зовнішнє – коли джерело радіації знаходиться поза організмом. При цьому людина опромінюється тільки протягом того часу, що вона знаходиться поблизу джерела випромінювання. При попаданні радіоактивних речовин усередину організму, людина зазнає постійного опромінення до того часу, поки радіоактивна речовина не виведеться з організму в результаті розпаду або фізіологічного обміну. Це дуже небезпечне опромінення, тому що викликає ураження різних органів, які довго не заживають.

У чому полягає руйнівна дія радіації? Установлено, що дія радіації відбувається на атомному або молекулярному рівні незалежно від того, отримуємо ми зовнішнє опромінення, чи внутрішнє – через воду і їжу. Під час впливу радіації на живий організм відбувається іонізація і збудження молекул, що призводить до розриву хімічних зв’язків і їх дисоціації. Це пряма дія радіації.

Більш небезпечне для людини побічна дія радіації. Механізм непрямої дії іонізуючого випромінювання полягає в радіаційно-хімічних змінах у певній розчиненій речовині зумовлених продуктами радіолізу води.

У організмі людини знаходиться 60-70% води. В результаті іонізації молекули води під впливом радіоактивних речовин утворюються вільні радикали гідроперекису (НО₂) і перекису (Н₂О₂) водню. Ці радикали, як сильні окисники, мають високу хімічну активність і вступають в реакції з білком, ферментами та іншими структурними елементами біологічної тканини, що призводить до зміни біологічних процесів в організмі. У результаті порушуються обмінні процеси, пригнічується активність ферментних систем, виникають нові хімічні сполуки, не властиві організму, - токсини. Порушується життєдіяльність окремих функцій або систем і організму в цілому. Це призводить до незворотних процесів в організмі людини, змінюється склад найважливіших тканин живого організму (крові, кісткового і спинного мозку). Починається переродження клітин.

Радіаційне опромінення може вбити клітини або змінити інформацію в ДНК так, що з часом в організмі почнуть з’являться дефектні клітини. Зміна генетичного коду клітини організму (мутація) може привести до значних змін, у тому числі й розвитку раку. Людина може передати змінений генетичний код своїм дітям.

Таким чином, з усіх токсичних речовин, що надходять в наш організм, радіоактивні речовини найбільш шкодять здоров’ю людини. Тому необхідно проводити дезактивацію, тобто видалення радіоактивних речовин з зараженої поверхні очищення води, продовольчих товарів і харчової сировини.

Дезактивація може бути природною і штучною. Природна дезактивація являє собою зменшення зараженості радіоактивних речовин унаслідок перетворення атомів, що розпадаються в стабільні. Вона дозволяє зменшити зараженість без додаткових матеріальних затрат, недолік її – повільність.

Штучна дезактивація полягає в очищенні заражених об’єктів від радіоактивних речовин шляхом вилучення цих речовин із заражених поверхонь. Види дезактивації:

• механічна дезактивація полягає в механічному вилученні радіоактивних речовин із заражених поверхонь шляхом змітання, струшування, здування, ізоляції зараженої поверхні;

• фізична дезактивація – це вилучення слабо пов’язаних з поверхнею радіоактивних речовин струменем води під тиском, обмивання водою, протирання розчинниками, фільтруванням, відстоюванням, перегонкою;

• фізико-хімічний вид дезактивації - для вилучення радіоактивних речовин, більш міцно зв’язаних із зараженою поверхнею. Він грунтується на використанні кислот, лугів, окисників, поверхнево-активних речовин які підвищують змочувальну здатність води.