4.7. Искусственная радиоактивность. Изотопная индикация

Искусственной радиоактивностью называются процессы самопроизвольного распада ядер нуклидов, полученных искусственным путем с помощью ядерных реакций.

Явление искусственной радиоактивности было открыто Ирен и Фредериком Кюри в 1934 г. при изучении бомбардировки легких элементов (алюминия, магния, бора) -частицами.

Если алюминиевую мишень подвергнуть действию ядер гелия, образующихся при распаде радия, то мишень начинает испускать нейтроны и позитроны. При удалении источника ядер гелия испускание нейтронов прекращается, а позитронное излучение сохраняется, однако интенсивность его падает, уменьшаясь наполовину каждые 2,5 мин. Это явление было объяснено протеканием двух ядерных реакций:

Изотоп , в отличие от стабильного , таким образом, является радиоактивным нуклидом, подвергающемся ⁺-распаду. В дальнейшем радиоизотопы были получены для всех химических элементов; их число в настоящее время составляет около 1300.

Искусственным радионуклидам присущи все виды радиоактивного распада, однако чаще всего они подвергаются -распаду (как электронному, так и позитронному).

В химическом отношении радиоизотопы почти тождественны изотопам стабильным, однако благодаря присущей им радиоактивности могут быть обнаружены в исчезающе малых количествах - современные приборы позволяют регистрировать буквально каждый акт радиоактивного распада. В связи с этим радионуклиды широко используются в научной и производственной практике для исследования разнообразных объектов методом изотопной индикации.

Изотопными индикаторами называют вещества, изотопный состав которых отличается от природного, благодаря чему они могут быть использованы в качестве меченых соединений при изучении самых разнообразных процессов и явлений. В качестве изотопной метки можно использовать как неординарные стабильные изотопы (например, ¹⁸О), так и радиоактивные нуклиды; предпочтение обычно отдают радиоактивным индикаторам, так как они известны для всех элементов и их очень легко обнаружить. Непрерывный распад радионуклидов позволяет следить за соответствующим элементом в сложных химических и физических процессах в разнообразных системах, в том числе и в живых организмах.

Методом радиоактивной индикации непосредственно определяют растворимость малорастворимых простых и сложных веществ, давление пара малолетучих соединений, изучают процессы диффузии, адсорбции, распределение вещества между фазами. Особый интерес представляет использование радиоактивных индикаторов при изучении строения химических соединений и механизмов химических реакций.

Рассмотрим несколько примеров использования радиоактивной индикации для решения химических проблем.

С помощью радиоактивной индикации была доказана полная идентичность связей, образованных по обменному и донорно-акцепторному механизмами, на примере тетрабромомеркурата(II) калия - K₂[HgBr₄]. В комплексном анионе [HgBr₄]^2-, полученном по уравнению

HgBr₂ + 2Br ^- = [HgBr₄]^2-

две связи Hg-Br образованы по обменному, а две - по донорно-акцепторному механизму. Соединение K₂[HgBr₄] синтезировали из бромида ртути, не содержащего радиоактивных изотопов, и бромида калия, меченного радиоактивным изотопом , после чего продукт реакции разложили при нагревании на бромиды ртути и калия. При этом было установлено, что меченые атомы брома равномерно распределяются между HgBr₂ и KBr, что свидетельствует о равноценности всех связей в [HgBr₄]².

Использование радиоизотопа позволило доказать неравноценность атомов серы в тиосульфате натрия. Тиосульфат натрия синтезировали кипячением раствора сульфита натрия с элементарной серой, меченной радиоизотопом S*, после чего полученный тиосульфат разлагали на сульфит и серу. Оказалось, что при этом метка S* полностью оставалась в элементарной сере:

Na₂SS*O₃ = Na₂SO₃ + S*

Если бы атомы серы в тиосульфате были равноценны, изотоп равномерно распределился бы между сульфитом и серой.

Примером применения метода радиоактивной индикации для выявления механизма протекания реакции может служить исследование реакции окисления пропионовой кислоты перманганатом калия. В смесях, содержащих избыток пропионовой кислоты, реакция сопровождается образованием щавелевой кислоты и диоксида углерода по уравнению:

5C₂H₅COOH + 12KMnO₄ + 18H₂SO₄ = 5H₂C₂O₄ + 5CO₂ + 6K₂SO₄ + 12MnSO₄ + 28H₂O

Обычные методы исследования не позволяют решить вопрос о природе углеродного атома, переходящего в диоксид углерода - принадлежал ли он ранее карбоксильной группе или углеводородному радикалу пропионовой кислоты. Использование изотопного индикатора, меченного радиоактивным изотопом углерода ¹⁴С, показало, что возможны оба пути окисления, причем изменение рН среды изменяет количество СО₂, полученного по разным путям окисления.

Метод изотопной индикации позволил решить ряд биохимических и биологических проблем. В частности, этим путем было доказано, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется из молекул воды, а не из диоксида углерода, поглощаемого растениями. Изотопная индикация широко используется при изучении действия биологически активных веществ и лекарственных препаратов.