Главная | Обратная связь

Действие ионизирующего излучения на воду.

Радиолиз воды и водные растворы

Впервые разложение воды под действием ионизирующего излучения подробно исследовали в 1913 году Дуан и Шойер, который обнаружили, что облучение воды -частицами приводит к образованию водорода, кислорода и небольших количеств перекиси водорода. Однако механизм радиационного разложения воды был неясен вплоть до 1927 года, пока Г. Фрике не начал свои исследования радиационно-химических реакций.

Фрике и его сотрудники обнаружили, что рентгеновское излучение в отличие от -частиц, не вызывает заметного разложения воды, особенно если перед облучением ее тщательно очищали. В присутствии растворенных веществ заметно значительное разложение воды. При этом количество разложившейся воды не зависит от количества растворенного вещества в широком диапазоне концентраций.[1]

Для объяснения механизма химических реакций в разбавленных растворах Фрике постулировал, что под действием излучения вода переходит в некую «активированную» форму, которая затем инициирует химические реакции. В результате проведенных опытов удалось провести целый ряд параллелей между действием ионизирующей радиации и ультрафиолетового излучения. В частности, Фрике показал, что облучение водных растворов радиацией с длиной волны короче 1900 вызывает многие реакции, сходные с теми, которые наблюдаются под действием рентгеновского излучения. Возбужденные молекулы воды при этом могли диссоциировать.

(1)

Дальнейшие исследования, однако, показали, что разложение воды и водных растворов гораздо более сложный процесс, и его нельзя объяснить простым образованием радикалов. Для выяснения сложных механизмов радиолиза воды требуется разобраться в пространственном распределении активных частиц, способах их образования, радиационно-химическом выходе различных процессов, а также реакциях других промежуточных продуктов, участвующих в наблюдаемых химических явлениях.[2]

Возможные реакции распада воды при воздействии ионизирующей радиации:

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

где КЭ – кинетическая энергия. Время образования первичных активных частиц, примерно равно периоду молекулярных колебаний, 10^-14 – 10^-15 секунд. Масс-спектр воды дал данные о наличии продуктов распада воды при воздействии ионизирующего излучения в относительных единицах:

Ион	Относительные единицы
	1,5
	0,6

 

Через 10^-14 – 10^-12 секунд после возникновения частицы, указанные в таблице, исчезают.

Наиболее вероятные реакции этих частиц:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

Суммарный результат реакций состоит в том, что появляются частицы Н, ОН, и небольшие количества Н₂ и Н₂О₂. Реакция (12) относится к числу ион-молекулярных реакций и происходит за время около 10^-14 секунд. Эта реакция может успешно конкурировать с прямыми реакциями диссоциации, и, вероятно, поэтому ионы Н⁺, О⁺ и НО⁺ почти не образуются, а если и образуются, то в очень небольших количествах. В пользу этого говорят и высокие энергии образования ионов Н⁺, О⁺ и НО⁺. Вторичные электроны, возникающие в процессе ионизации термализуются и сольватируются в течении 10^-11 секунд. Сольватированный электрон может реагировать с молекулами воды при отсутствии растворенных веществ с образованием Н и НО ^– и с другим сольватированным электроном, давая Н₂, или с Н⁺, образуя Н. Стационарная концентрация любых активных частиц оказывается весьма низкой.[7];[2]

Прямые доказательства существования атомов Н получены при анализе парамагнитных свойств этих систем. Радикалы ОН, возникающие при электрическом разряде в водяных парах, обнаруживаются по абсорбционным и эмиссионным спектрам около 3064 , а также с помощью масс-спектрометра. Существование радикалов Н₂О удалось доказать масс-спектрометрически при анализе продуктов реакции атомов Н, возникающих в газовом разряде с молекулами О₂ в присутствии инертных газов.[1]