Глава 8. Особенности поведения радиоактивных веществ в ультраразбавленных растворов

Большинство радиоактивных элементов в природе, кроме урана и тория встречаются как продукты их распада. Концентрация продуктов распада ничтожно мала и не превышает равновесную.

Так на 1г урана приходится (в г):

- 8,2×10^-11; - 2,4×10^-12; -3,5×10^-7;

- 4,8×10^-9; - 7,5×10^-5

Радиоизотопы, получаемые в результате ядерных реакций, также находятся в ничтожных количествах.

Например, при облучении в ядерном реакторе потоком медленных нейтронов в 10¹²н/с на 1см² в течение суток 1 грамма мишени образуется в г:

P - 6×10^-9; S - 4×10^-9; Br - 1,6×10^-8; Mo - 1×10^-8

Именно в таких количествах получаются искусственные изотопы в результате ядерных реакций. При работе с радиоактивными веществами, находящимися в ультрамиукроконцентрациях необходимо учитывать особенности их поведения.

Поведение радионуклидов, возможности их концентрирования и выделения из ультраразбавленных систем, миграция в природе, в частности в гидросфере и биосфере Земли, целиком зависят от их состояния в растворе. Под этим подразумевается дисперсность частиц, в состав которых входит радионуклид.

При разделении и очистке исходного радиоактивного вещества нередко приходится сталкиваться со случаями, когда исходный раствор, содержащий радиоактивный нуклид в определенной химической форме, не содержит стабильных нуклидов, того же элемента в той же химической форме, или содержит их в количествах, которые нельзя обнаружить обычными химическими методами. В таких случаях гворят, что

При таких малых концентрациях, в которых находятся радиоактивные элементы в растворах (10^-10моль/л) и ниже существенную роль играют процессы адсорбции и коллоидообразования, из-за которых при неправильной работе можно потерять все вещество на стенках сосуда, на фильтрах или загрязнениях, которые всегда присутствуют в растворе.

Коллоидообразование

Радиоактивные элементы в жидкой фазе могут находиться в зависимости от степени дисперсности в виде ионов, молекул (истинные растворы) или в коллоидном состоянии. Способность образовывать коллоидные растворы у радиоактивных веществ выше, чем у нерадиоактивных. Это происходит за счет появления под действием излучения в отдельных областях раствора избыточных зарядов, препятствующих их агрегации и коагуляции.

Коллоиды, образованные радиоактивными веществами могут быть двух типов ‑ истинные коллоиды и так называемые псевдоколлоиды.

Истинные коллоиды - это растворы, коллоидные частицы которых образованы непосредственно из труднорастворимого, но присутствующего в очень малом количестве радиоактивного вещества.

Истинные коллоиды возникают в растворе в результате образования собственной фазы микрокомпонента, что возможно, если произведение концентраций ионов превышает величину ПР (С_ион > ПР) этого соединения. Обоснование образования радиоактивными элементами истинных коллоидов было дано в работах И. Е. Старика, посвященных изучению поведения микроколичеств полония и протактиния в растворах в зависимости от рН. В этих работах была впервые доказана возможность образования истинных коллоидов радиоактивных элементов при ничтожно малой их концентрации (С ≈ 10^-12 М).

Наряду с истиннымиколлоидами в растворах, содержащих радиоактивные вещества в микроконцентрациях, нередко образуются псевдоколлоиды.Образование псевдоколлоидов микрокомпонентами тесно связано с их способностью адсорбироваться на различных твердых примесях (загрязнениях), которые могут содержаться в растворе. Степень дисперсности псевдорадиоколлоидов значительно ниже чем истинных радиоактивных коллоидов.

Если истинные радиоколлоиды характеризуются размером молекул 1-3 нм, то размеры молекул псевдоколлоидов составляют десятки и сотни нанометров и определяются степенью дисперсности частиц загрязнений.

Процессы радиоколлоидообразования зависят от нескольких факторов:

1. Коллоидообразование зависит от химической природы радиоактивного элемента. Легче других в коллоидное состояние переходят радиоактивные элементы, относящиеся к так называемым переходным элементам (цирконий, ниобий, гафний ‑ III ‑ IV группы).

Для щелочных металлов наиболее характерно ионное состояние. В присутствие значительных количеств загрязнений возможно образование ими псевдоколлоидов, причем это состояние обратимо и легко может быть переведено в ионы путем добавления электролита.

Для щелочноземельных элементов псевдоколлоидное состояние проявляется в водных растворах при рH > 9, и тем в большей степени, чем ярче выражена сорбционная способность данного элемента по отношению к загрязнению.

2. Другим фактором, влияющим на процесс коллоидообразования, является состав жидкой фазы. Наиболее важной характеристикой состава жидкой фазы является: природа растворителя, рH раствора, природа и концентрация присутствующих в растворе посторонних электролитов или частиц загрязнения.

3. Кроме рассмотренных факторов на процесс коллоидообразования влияет время хранения (возраст раствора).

В радиохимических исследованиях наличие коллоидного состояния радиоактивных элементов крайне нежелательно.

Известно несколько приемов переведения радиоактивного вещества из коллоидного в ионное или молекулярное состояние.

Это прежде всего: очистка растворителя, увеличение кислотности (понижение рH), добавление комплексообразующих агентов, удерживающих носителей, обеспечение условий агентов, удерживающих носителей, обеспечение условий хранения, препятствующих образованию радиоколлоидов.

Адсорбция

Кроме коллоидообразования в радиохимии очень важную роль играют адсорбционные процессы.

Напомним, адсорбцией называется концентрирование вещества из объема фаз на границе раздела между ними.

При обычных химических работах, когда имеют дело с макроколичествами вещества явлениями адсорбции, как правило, пренебрегают. В радиохимии же нельзя обойтись без точного знания процессов адсорбции, так как адсорбционные явления в этом случае играют большую роль, вызывая значительное перераспределение радиоактивного элемента между раствором и контактирующими с ним материалами.

Радиоактивные нуклиды, находящиеся в растворе в микроконцентрациях, могут быть потеряны в процессе работы с ними вследствие адсорбции на стенках сосудов, загрязнениях растворов, в процессе выделения осадков или на заранее образованных осадках, на фильтрах и т. д.

Адсорбция может быть также крайне нежелательным явлением при последовательном количественном выделении из раствора с помощью реакции осаждения нескольких радионуклидов.

В то же время адсорбционные методы широко используются для выделения, разделения и концентрирования радионуклидов из растворов

Основную роль в радиохимии играет адсорбция ионов радиоактивных элементов из растворов.

Адсорбция ионов может осуществляться на мелкокристаллических осадках, осадках с сильно развитой поверхностью типа гидроокисей силикагеля, алюмокремниевого геля, на частицах суспензий, коллоидов, угле, ионообменных веществах, бумажных фильтрах, стекле и ряде других веществ.

Адсорбция радиоактивных веществ зависит от концентрации водородных ионов (рН), посторонних электролитов, комплексообразователей. Поскольку от этих же факторов зависит состояние радионуклида в растворе, можно по характеру адсорбции следить за его состоянием. Таким образом, знание закономерностей, определяющих поведение микроколичеств радиоэлемента, позволит свести к минимуму возможность неконтролируемых потерь или предотвратить его загрязнения посторонними примесями.

Использование особенностей поведения веществ в ультрамалых количествах лежит в основе методов выделения, концентрирования и разделения радионуклидов.

ВОПРОСЫ

1. В каких количествах образуются радиоактивные вещества в природе и ядерных реакторах?

2. Какие процессы играют основную роль при изучении поведения, концентрировании и выделении радионуклидов?

3. Дайте определение истинных и “псевдоколлоидов” и какую роль играет коллоидообразование при изучении состояния радионуклидов в растворах.

4. Какую роль играет адсорбция при изучении поведения радионуклидов в растворах?

5. Какими причинами могут быть вызваны неконтролируемые потери радиоактивных веществ из раствора?

6. Можно ли про нерадиоактивное вещество сказать, что оно находится в индикаторных количествах?