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 (Сион > 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?