В.Б. Лукьянов - Радиоактивные индикаторы в химии

Радиоактивныеиндикаторыв химииОсновы методаПод редакцией В. Б. Л у к ь я н о в аИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ,ПЕРЕРАБОТАННОЕИ ДОПОЛНЕННОЕДопущеноМинистерством высшегои среднего специальногообразования СССРв качестве учебного пособиядля студентов химическихспециальностейуниверситетовМОСКВА«ВЫСШАЯ ШКОЛА»1985ББК 24.13Р15УДК 541.15ВБ ЛУКЬЯНОВ, С. С. БЕРДОНОСОВ, И. О.

БОГАТЫРЕВ,К. Б. ЗАБОРКНКО, Б. 3. ИОФАРецензент:д-р хим. наук, проф. А. Н. Мурин (Ленинградскийгосударственный университет им. А. А. Жданова)Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода:Р15 Учеб. пособие для ун-тов/Лукьянов В. Б., Бердоиосов С. С, Богатырев Й. О. и др.; Под ред. Лукьянова В. Б. — 3-е изд., перераб. и доп.

— М.: Высш. шк.,1985.— 287 с, ил.В пер.: 1 р.В книге излагаются физические и химические основы метода радиоактивных индикаторов (радиоактивность, регистрация излучения, изотопныйобмен, особенности поведения и методы выделения, разделения и концентрирования радионуклидов), а также принципы применения радионуклидовв различных областях химии.По сравнению с предыдущим изданием (2-е вышло в 1975 г.) в книгувнесены многочисленные добавления и исправления, учитывающие современные тенденции применения радиоактивных индикаторов в химии. Изложениеиллюстрировано большим числом расчетных задач с подробными решениями.р 18^000000—171001 ( 0 1 ) - 8 58 2__85'ББ|< 24.13540© Издательство «Высшая школа», 1975© Издательство «Высшая школа», 1985, с изменениямиПРЕДИСЛОВИЕМетод радиоактивных индикаторов прочно вошел в практику химических исследований.

Определилась и решается (в различныхвузах по-разному) задача подготовки химиков широкого профиляне являющихся специалистами-радиохимиками) к сознательному играмотному использованию радионуклидов при изучении различныххимических проблем. Указанной цели служит и данная книга. В настоящее время, когда решениями XXVI съезда и последующими пленумами ЦК КПСС намечен курс развития атомной энергетики опережающими темпами, особенно важно включение прикладной радиохимии как общехимической дисциплины (например, в варианте предлагаемого здесь метода радиоактивных индикаторов) в учебные планыхимических специальностей вузов.

Общеизвестна важность методаоактивных индикаторов для решения вопросов, связанных с вынием Продовольственной программы (разработка оптимальныхлриемов внесения удобрений, выяснение роли микроэлементов и т. д.),биохимических и медико-биологических проблем, а также задач, направленных на охрану окружающей среды.В пособии приводятся краткие теоретические сведения о радиоак твности и строении атомных ядер, методах измерения радиоактивности, химических основах метода радиоактивных индикаторови о применении радиоактивных индикаторов в различных областяххимии.Первое издание этой книги вышло в 1964 г. под названием «Методрадиоактивных индикаторов в химии».

При подготовке второго издания (1975) материал был переработан таким образом, чтобы дажепри условии самостоятельных занятий читатель мог приобрести навыки, необходимые для правильного выбора радиоактивного индикатора, метода регистрации его излучения, а также для планированияэксперимента с использованием радионуклидов.

Текст книги былдополнен большим числом расчетных примеров, после каждой главыприведены контрольные вопросы.В 3-м издании в книгу внесены многочисленные добавления и исправления, учитывающие современные тенденции применения радиоактивных индикаторов в химии. В частности, написан новый параграф,посвященный полупроводниковым детекторам, а также раздел «Изучение адсорбции на электроде». Терминология приведена в соответствиес требованиями действующих ныне стандартов.Чтобы избежать дублирования материала, в учебник не включеныПриложения — справочные таблицы, на которые даются ссылки впримерах. Эти таблицы под теми же номерами (П.1—П.5) имеются взкниге «Радиоактивные индикаторы в химии.

Проведение эксперимента и обработка результатов». (М., Высшая школа, 1977).Книга подготовлена коллективом авторов под общим руководствомВ. Б. Лукьянова. Авторами гл. I являются В. Б. Лукьянов, И. О. Богатырев и К. Б. Заборенко, глав II, III, IV и VII — С . С. Бердоносов, глав V и VIII — И.

О. Богатырев, гл. VI — К. Б. Заборенко.Авторы выражают глубокую признательность член-корр. АНСССР проф. |Ан. Н. Несмеянову! за постоянную поддержку в работе,рецензенту книги зав. кафедрой радиохимии химического факультета Ленинградского университета проф. А.Н.Мурину за внимательный просмотр рукописи и полезные замечания, а также проф.В. М. Федосееву, который подробно ознакомился с материаломпо применению радиоактивных индикаторов в органической химиии высказал ряд пожеланий, принятых авторами.Авторы будут благодарны за все критические замечания поданнойкниге.АвторыВВЕДЕНИЕ. МЕТОД РАДИОАКТИВНЫХИНДИКАТОРОВАтомы изотопов одного и того же элемента, различаясь числомнейтронов в ядрах, имеют одинаковое строение электронных оболочек, обусловленное зарядом атомного ядра.

Поэтому как химические,так и многие физические свойства простых веществ и соединений, содержащих различные изотопы одного и того же элемента, близки.Большинство химических элементов представляет собой смесинескольких природных изотопов, причем соотношение между количествами природных изотопов, составляющих данный элемент, практически постоянно и не зависит от того, какой объект выбран для определения изотопного состава. Если в каком-либо из реагирующих веществ изменить изотопный состав хотя бы одного элемента, то такоевещество, ничем не выделяясь в своих химических свойствах, будетнести своего рода метку, что позволяет проследить за поведением этоговещества в исследуемом процессе.

Идентичность химических свойствразличных изотопов одного и того же элемента и как следствие этогонеизменность изотопного состава при физико-химических превращениях — вот принципы, лежащие в основе метода меченых атомов.Изменить изотопный состав вещества можно введением радиоактивного изотопа или избытка одного из стабильных изотопов.В соответствии с этим различают два варианта метода меченых атомов:метод стабильных и метод радиоактивных индикаторов.В методе стабильных индикаторов часто применяют изотопы легких элементов, такие, как дейтерий, углерод-13, азот-15, кислород-18и др. Количественное определение веществ, меченных стабильнымиизотопами, производится главным образом при помощи масс-спектрометров. Кроме того, известны методы определения изотопного составапо плотности, теплопроводности, показателям преломления, а такжена основе данных инфракрасной, высокочастотной спектроскопии иядерного магнитного резонанса. Преимуществом стабильных изотопов являются их устойчивость и отсутствие ядерных излучений.

Однако только небольшое число элементов имеет стабильные изотопы,подходящие для использования в качестве меченых атомов. Большаястоимость обогащенных стабильных изотопов, довольно сложная техника определения изотопного состава, сравнительно высокие пределыобнаружения и низкая точность методов количественного определения, наличие значительных изотопных эффектов у легких элементов(которые обычно и метят стабильными изотопами) — таковы недостатки метода стабильных индикаторов.Метод радиоактивных индикаторов свободен от перечисленныхнедостатков. Низкие пределы обнаружения, специфичность и точность определения, простота и доступность измерительной аппара-туры составляют преимущество метода радиоактивных индикаторов.Поэтому этот метод получил широкое распространение во всех областях исследования — в химии, физике, биологии, а также в технике и технологии, сельском хозяйстве, медицине и др.Изотопы, пригодные для использования в качестве радиоактивныхиндикаторов, могут быть выбраны практически для всех элементовпериодической системы.

Допустим, исследователя интересует судьбаопределенного элемента в каком-либо химическом процессе. В изучаемую систему вводят некоторое количество радиоактивного изотопа того же элемента. Поскольку изотопы практически идентичныпо своим химическим и физическим свойствам, то радиоактивнуюдобавку постигнет та же участь, что и основную массу нерадиоактивных атомов изучаемого элемента. Измеряя излучение радиоактивнойдобавки, можно следить за ее поведением, а следовательно, и за поведением интересующего нас элемента.Выделяют три основных направления использования метода радиоактивных индикаторов.1.

Изучение перемещения веществ в различных объектах. Меченыевещества вводят в ту или иную систему и через определенные промежутки времени устанавливают наличие меченого соединения в определенных точках системы. Например, по перемещению меченых атомов в металлах и сплавах можно определить коэффициенты диффузии и самодиффузии.2. Выяснение механизма различных процессов и превращений,изучение химического строения веществ, подвижности атомов и групп.Введение радиоактивной метки позволяет изучать химически неразличимые атомы и молекулы. Определение, например, соотношения скоростей прямой и обратной химической реакции, места разрыва и образования связей в сложных органических молекулах крайне затруднительно или вообще невозможно какими-либо другими методами.3.

Определение количества вещества. Низкие пределы обнаружения составляют неоценимое достоинство метода радиоактивных индикаторов при решении таких задач, как, например, изучение растворимости малорастворимых соединений или измерение давления насыщенного пара твердых веществ. С помощью радиоактивных индикаторов были созданы принципиально новые методы количественногоанализа, такие, как активациопный анализ, метод изотопного разбавления и др.

В ряде случаев использование радиоактивных индикаторов позволяет автоматизировать процедуру анализа.При применении метода радиоактивных индикаторов перед исследователем встают задачи, которые необходимо уметь правильно решать.Прежде всего это выбор радиоактивного изотопа, определяемый егоядерными характеристиками — схемой распада, энергией излучения,периодом полураспада. Для рационального использования измерительной аппаратуры следует ознакомиться с основными принципамиизмерения ионизирующих излучений. Необходимо также знать особенности поведения ультрамалых количеств радиоактивных веществ,методы выделения и концентрирования радионуклидов. Изложениюэтих вопросов и посвящено предлагаемое пособие.ГЛАВАIРАДИОАКТИВНОСТЬ§ 1.

ТИПЫЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИИЙ1. Стабильные и радиоактивные ядраПротоны р и нейтроны п, из которых состоят атомные ядра, можно рассматривать как различные состояния одной ядерной частицы —нуклона. Массы нуклонов различаются незначительно и близки катомной единице массы, а. е. м. (1 а. е. м. = 1,660566- 10~27 кг). Массы протона и нейтрона, выраженные в атомных единицах массы, равны соответственно 1,007276 и 1,008665.