Jedrska kemija: Razlika med redakcijama

dodanih 100 zlogov ,  pred 9 leti
m
m (slovnica AWB)
Jedrska kemija pokriva tudi področja, kjer ni posredne zveze z [[radioaktivni razpad|radioaktivnimi razpadi]]. [[Jedrska magnetna resonanca]] je spektroskopska metoda, ki se pogosto uporablja v [[organska kemija|organski]] in [[fizikalna kemija|fizikalni kemiji]] za določanje molekulske strukture. V medicini se isto načelo uporablja pri [[Slikanje z magnetno resonanco|slikanju z magnetno resonanco]].
 
== Zgodovina ==
Po [[Wilhelm Conrad Röntgen|Röntgenovem]] odkritju [[Rentgenski žarki|rentgenskih žarkov]] je veliko znanstvenikov začelo proučevati [[ionizirajoče sevanje]]. Eden izmed prvih je bil [[Antoine Henri Becquerel]], ki je proučeval povezavo med [[fosforescenca|fosforescenco]] in počrnitvijo [[fotografska plošča|fotografske plošče]]. Odkril je, da [[uran]]ova ruda počrni (ali zamegli) fotografsko ploščo brez zunanjega vira energije in s tem odkril [[radioaktivnost]]. [[Marie Skłodowska-Curie]] in njen mož [[Pierre Curie]] sta izolirala dva nova radioaktivna elementa iz uranove rude. Pri identifikaciji separacijskih produktov sta uporabljala [[radiometrija|radiometrične metode]]; uranovo rudo sta ločila v takrat znane elemente in določila radioaktivnost vsake frakcije. Radioaktivne frakcije sta ločevala naprej in uspela pridobiti manjšo maso snovi z večjo specifično aktivnostjo, ter odkrila elementa [[polonij]] in [[radij]]. Okrog leta 1901 so opazili, da visoke doze sevanja lahko povzročijo poškodbe pri ljudeh. Henri Becquerel je namreč v žepu prenašal vzorec radija, zaradi česar je prejel visoko lokalno dozo sevanja, ki je povzročila sevalne opekline. Po tem dogodku so začeli proučevati vpliv sevanja na [[Organizem|biološke organizme]], kasnejši rezultati pa so vodili do razvoja medicinskih terapevtskih in opazovalnih tehnik.
 
Leta 1934 sta [[Irène Joliot-Curie]] (hči [[Marie Skłodowska-Curie]]) in njen mož [[Frédéric Joliot-Curie]] kot prva pripravila umetno radioaktivnost. Element [[bor (element)|bor]] sta obstreljevala z [[Delec alfa|delci alfa]] in s tem pripravila z nevtroni oslabljen izotop [[dušik]]a <sup>13</sup>N, ki je pri razpadu oddajal [[pozitron]]e. Z [[nevtron]]i sta obstrelejvala tudi [[magnezij]] in [[aluminij]], pri čemer sta ustvarila nove [[izotop|radioizotope]].
 
== Glavna področja ==
[[Radiokemija]] je kemija radioaktivnih snovi, pri čemer se radioaktivni [[iztop]]i uporabljajo pri študiju lastnosti snovi in [[kemijska reakcija|kemijskih reakcij]] v kombinaciji z neradioaktvnimi izotopi. Z uporavo radioaktivno označenih molekul je mogoče opazovati prerazporeditve atomov pri kemijskih reakcijah.
 
[[Radiacijska kemija]] se ukvarja s proučevanjem kemijskih efektov, ki jih med obsevanjem sproži [[ionizirajoče sevanje]]. Radiacijska kemija se razlikuje od radiokemije, saj ni nujno, da pri radiacijski kemiji uporabljamo radioaktivne snovi. Primer take kemijske reakcjie je pretvorba [[voda|vode]] v [[vodik]] in [[vodikov peroksid]].
 
=== Študij jedrskih reakcij ===
Kombinacija radiokemije in radiacijske kemije se uporablja pri proučevanju jedrskih reakcij, kot sta [[jedrsko zlivanje]] in [[jedrska cepitev|cepitev]]. Dokaz, da jedrsko zlitje lahko poteka je bil nastanek kratkoživega izotopa [[barij]]a, ki so ga izolirali iz [[uran]]a obstreljevanega z nevtroni (<sup>139</sup>Ba, razpolobna doba 83 minut in <sup>140</sup>Ba, razpolovna doba 12.8 dni, sta glavna fisijska produkta [[uran]]a). V tistem obdobju so mislili, da so odkrili nov izotop [[radij]]a, zato so [[barijev sulfat]] dolgo časa uporabljali kot pomoč pri [[obarjanje|obarjanju]] radija. V zadnjem času se znanstveniki s pomočjo metod radiokemije in [[jedrska fizika|jedrske fizike]] trudijo, da bi sintetizirali nove "supertežke" elemente.
 
=== Jedrsko gorivo ===
Jedrska kemija je tesno povezana s procesi priprave (kopanje [[ruda|rude]], predelava, bogatenje), uporabe (obnašanje v jedrskem reaktorju) in predelave (ohlajanje v hladilnem bazenu, suho hranjenje, odstranjevanje odsluženega jedrskega goriva v ustreznih odlagališčih, nadaljnja predelava) [[jedrsko gorivo|jedrskega goriva]]. Jedrsko kemijo, ki se ukvarja s procesi pri pridobivanju [[jedrska energija|jedrske]] energije lahko razdelimo na dve glavni področji: na področje ki se ukvarja s kemijo pod normalnimi pogoji in na področje, ki se ukvarja s pogoji, do katerih pride med neobičajnim delovanjem (okvare jedrskih reaktorjev, jedrske nesreče, napadi z [[jedrsko orožje|jedrskim orožjem]]).
 
=== PUREX kemija ===
[[Plutonij]] in [[uran]] trenutno pridobivajo s t.i. PUREX ('''P'''lutonium and '''UR'''anium '''EX'''traction) postopkom, pri katerem s pomočjo mešanice [[tributilfosfat]]a in [[ogljikovodik]]ov iz [[dušikova kislina|dušikove kisline]] [[ekstrakcija|ekstrahirajo]] plutonijeve in uranove [[nitrat]]e. Ekstrakcija z ekstrakcijskim medijem "S" poteka po sledeči kemijski reakciji:
:<math>\mathrm{Pu}^{4+}_{(aq)}+ 4\mathrm{NO}_{3\,(aq)}^- + 2\mathrm{S}_\mathrm{organska\,snov} \rightarrow [\mathrm{Pu}(\mathrm{NO}_3)_4\mathrm{S}_2]_\mathrm{organska\,snov}</math>
Med kovinskim [[kation]]om, nitratno skupino in tributil fostatom nastane [[Koordinacijska kemija|koordinacijska vez]].
 
Pri visoki koncentraciji nitratnih ionov je favorizirana ekstrakcija kompleksa v organsko topilo, pri nizki koncentraciji nitratnih ionov pa poteka obratna reakcija. Izrabljeno jedrsko gorivo se raztopi v dušikovi kislini, iz katere je mogoče ekstrahirati plutonij in uran.
 
== Interdisciplinarno povezovanje ==
Nekatere metode, ki so se najprej razvijale v okviru jedrske kemije in fizike, se danes splošno uporabljajo v kemijskih in fizikalnih [[znanost]]ih, tako da jih lahko razvrstimo v samostojne discipline. Pri študiju [[kemijska kinetika|kemijske kinetike]] se za raziskave reakcijskih mehanizmov s pridom uporablja [[kinetični izotopski efekt]]. Uporaba kozmogenih in dolgoživih nestabilnih izotopov je prav tako pogosta v [[geologija|geologiji]], tako da lahko izotopsko kemijo obravnavamo ločeno od jedrske.
 
=== Kinetika ===
Mehanizem [[kemijska reakcija|kemijske reakcije]] lahko proučujemo, če izmerimo kako se spremeni kinetika kemijske reakcije ko spremenimo izotopsko sestavo substrata. Pojav je znan pod imenom [[kinetični izotopski efekt]]. Kinetični izotopski efekt je standardno orodje pri proučevanju kemijskih reakcij v [[organska kemija|organski kemiji]]. Zamenjava običajnih [[vodik]]ovih atomov ([[proton]]ov) v molekuli s težjimi atomi [[devterij]]a zniža vibracijske frekvence X-H (X = C, O, N) vezi, zaradi česar se zniža tudi energija osnovnega vibracijskega stanja. To lahko vodi do zmanjšanja reakcijske hitrosti, če je ključni del reakcije cepitev X-H vezi. Če se [[kemijska kinetika|hitrost kemijske reakcije]] spremeni, ko zamenjamo vodikove atome z devterijevimi, potem lahko sklepamo, da je cepitev vezi med vodikom in drugim atomom vključena v elementarni
korak ki določa hitrost kemijske reakcije.
 
=== Uporaba v biologiji, geologiji in forenziki ===
Kozmogeni izotopi nastanejo pri interakciji med [[kozmični žarki|kozmičnimi žarki]] in jedri atomov. Te izotope lahko kasneje uporabimo pri [[radiometrično datiranje|izotopskem datiranju]] ali kot naravne sledilce. Z natančnim merjenjem dobimo podatke o izvoru materialov, starosti vzorcev [[led]]u in [[mineral]]ov in celo o prehranjevalnih navadah organizmov iz vzorcev [[las]] in drugih [[tkivo|tkiv]].
 
V živih organizmih lahko s pomočjo izotopskih sledilcev (radioaktivnih in neradioaktivnih) opazujemo kompleksne mreže [[biokemija|biokemijskih]] reakcij, ki potekajo med [[metabolizem|metabolizmom]]. Primer: [[rastline]] uporabljajo energijo svetlobe, da [[voda|vodo]] in [[ogljikov dioksid]] s [[fotosinteza|fotosintezo]] pretvorijo v [[glukozo]]. Če uporabimo izotopsko označene kisikove atome v vodi, se ti pojavijo v molekuli kisika, ki nastane med procesom fotosinteze in ne v molekuli glukoze.
 
Veliko specifičnih izotopov ima precejšen pomen v biokemijskih in fizioloških eksperimentih:
:* '''Stabilni izotopi''' v organizem ne vnašajo dodatnih doz sevanja. Kopičenje izotopov v določenem organu nakazuje na določeno fiziološko stanje. Dovolj velika količina izotopov za študij celotnega živega organizma včasih predstavlja težave, prav tako je težka njihova detekcija, saj za to potrebujemo [[masna spektrometrija|masni spektrometer]], da ugotovimo kakšna količina izotopa je prisotna v določeni snovi. S to tehniko ne moremo določiti točne lokacije snovi v celici.
:* [[devterij|<sup>2</sup>H]] je stabilni izotop vodika, njegovo koncentracijo pa lahko merimo z masno spektrometrijo in [[Jedrska magnetna resonanca|jedrsko magnetno resonanco]]. Vgrajuje se v celične strukture, lahko pa pripravimo tudi specifične devterirane snovi, ki se vežejo na točno določeno mesto v organizmu.
:* na podoben način kot devterij se uporablja tudi <sup>15</sup>N, vendar se ta vgrajuje predvsem v [[beljakovina|beljakovine]].
:* '''Radioaktivne izotope''' je mogoče detektirati v zelo majhnih količinah, z enostavnim [[scintilacijski števec|scintilacijskim števcem]] ali drugimi radiokemijskimi metodami. Radioaktivnim izotopom lahko določimo točen položaj v celici, njihovo aktivnost pa določimo z avto[[radiografija|radiografijo]]. Veliko število snovi z radioaktivnimi izotopi na specifičnih mestih je mogoče enostavno pripraviti in so komercialno dostopne. Pri rokovanju s snovmi v velikih količinah je potrebno poskrbeti za zaščito delavcev pred radioaktivnim sevanjem, in upoštevati potrebne postopke, da ne pride do kontaminacije laboratorijev in laboratorijske opreme. Nekateri izotopi imajo zelo kratko razpolovno dobo, zato je njihova priprava in detekcija zapletena.
: Z organsko sintezo je mogoče pripraviti kompleksno molekulo, v kateri se radioaktivna oznaka nahaja le na enem delu molekule. Za pripravo molekul označenih s kratkoživim izotopom <sup>11</sup>C so potrebne zelo hitre sintezne metode, vendar lahko s pomočjo izotopa <sup>11</sup>C pripravimo snovi s katerimi izvedemo [[Pozitronska emisijska tomografija|pozitronsko emisijsko tomografijo]].
:* <sup>3</sup>H, [[tritij]] je izotop vodika z zelo visoko aktivnostjo in ga je relativno enostavno vključiti v spojine ([[Alken#Hidrogeniranje alkinov|hidrogeniranje]] nenasičenih prekurzorjev). Izotop seva mehke [[Razpad beta|beta]] žarke, ki jih je mogože zaznati s [[scintilacijski števec|scintilacijskim števcem]].
:* <sup>11</sup>C, ogljik 11 je mogoče pripraviti z obstreljevanjem [[bor (element)|<sup>11</sup>B]] s [[proton]]i v [[pospeševalnik]]u. Alternativni pristop je obstreljevanje <sup>10</sup>B z devteroni. S hitro organsko sintezo se <sup>11</sup>C vgradi v spojino, ki se za tem uporabi pri [[Pozitronska emisijska tomografija|pozitronski emisijski tomografiji]].
:* <sup>14</sup>C, ogljik 14 se pripravlja podobno kot <sup>11</sup>C, vendar ga je laže vgraditi v organske in anorganske spojine.
:* <sup>18</sup>F, [[fluor]] 18 je mogoče pripraviti z obstreljevanjem [[neon]]a z devteroni. Pri reakciji se uporablja neon s sledmi stabilnega <sup>19</sup>F<sub>2</sub>, ki poveča izkoristek sevanja v pospeševalniku.
 
=== Jedrska magnetna resonanca ===
[[Jedrska magnetna resonanca]] (NMR) meri interakcijo med [[spin]]om jeder določene snovi in elektromagnetnim valovanjem. Jedrska magnetna resonanca je standardna spektroskopska metoda v sintezni kemiji. S pomočjo NMR je npr. mogoče določiti [[kemijska vez|red posameznih vezi]] v spojinah.
 
Jedrska magnetna resonanca se uporablja tudi kot diagnostična metoda, s katero je mogoče dobiti vpogled v notranjost organizma brez uporabe radioaktivnih substanc. Na medicinskem področju se pogosto uporablja zgolj termin "magnetna resonanca", saj ima beseda "jedrski" negativni prizvok pri večini ljudi.
 
== Viri ==
:* Vertes, A. ''urednik'', (2003), ''Handbook of nuclear chemistry'', Dordrecht, Kluwer Academic Publishers. {{COBISS|ID=18147623}}
:* Longworth, G. ''urednik'', (1998), ''The radiochemical manual'', Harwell, AEA Technology. {{COBISS|ID=13621031}}
:* Lefort, M. (1968), ''Nuclear Chemistry'', New Jersey, Princeton. {{COBISS|ID=2600743}}
:* Friedlander, G. (1956), ''Nuclear and Radiochemistry'', New York, John Wiley. {{COBISS|ID=2600487}}
 
[[pt:Química nuclear]]
[[ru:Ядерная химия]]
[[si:න්‍යෂ්ටික රසායන විද්‍යාව]]
[[simple:Nuclear chemistry]]
[[sk:Jadrová chémia]]
93.528

urejanj