научная статья по теме МЕХАНИЗМ СВЕЧЕНИЯ ВОДЫ ПРИ РАДИОЛИЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАДИАЦИОННОГО ФОНА Химия

Текст научной статьи на тему «МЕХАНИЗМ СВЕЧЕНИЯ ВОДЫ ПРИ РАДИОЛИЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАДИАЦИОННОГО ФОНА»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2012, том 86, № 6, с. 1140-1143

ФОТОХИМИЯ И МАГНЕТОХИМИЯ

УДК 535.37

МЕХАНИЗМ СВЕЧЕНИЯ ВОДЫ ПРИ РАДИОЛИЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ

РАДИАЦИОННОГО ФОНА

© 2012 г. С. В. Ермолин*, И. П. Иванова*, Д. И. Князев*, С. В. Трофимова*, И. М. Пискарев**

*Нижегородская государственная медицинская академия федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына E-mail: i.m.piskarev@gmail.com Поступила в редакцию 17.05.2011 г.

Изучено свечение чистой воды и реактива Фентона. Зарегистрированы фотоны в красной области спектра, характерной для димера синглетного кислорода. Показано, что свечение воды можно объяснить накоплением продуктов радиолиза воды под действием внешнего радиационного фона.

Ключевые слова: свечение, вода, радиационный фон, синглетный кислород.

Широко известное и видимое глазом свечение морской воды обусловлено микроорганизмами. Чистая вода тоже светится, только интенсивность свечения мала, и ее можно обнаружить, используя высокочувствительные светоприемники. Созданы приборы на основе фотоэлектронных умножителей, позволяющие регистрировать потоки фотонов ~103 с-1 [1]. Свечение очень чистой свежеприготовленной бидистиллированной воды не было обнаружено. Однако, постояв на воздухе, вода поглощает углекислый газ и подвергается воздействию радиационного фона (космического излучения). Свечение такой воды уже фиксируется. Добавление в воду перекиси водорода, гидрокарбонатов, изменение рН усиливает свечение. Такие эффекты неоднократно наблюдались [2]. Одной из причин свечения воды может быть радиационный фон. Анализу роли радиационного фона в свечении воды посвящена данная работа.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Световое излучение регистрировалось прибором БХЛ-06 по методике [1]. Калибровку прибора осуществляли по эталонному источнику света известной интенсивности. Объем пробы составлял 1.2 мл. Кювета с пробой располагалась почти вплотную к фотокатоду ФЭУ, что обеспечивало высокую эффективность регистрации (телесный угол ^ = я). Наблюдалось свечение дистиллированной и бидистиллированной воды, воды, насыщенной МаИС03, а также реактива Фентона. Раствор перекиси водорода для реактива Фентона требуемой концентрации готовился предварительно, раствор Бе804 — непосредственно перед началом эксперимента. Регистрация излучения

начиналась через 0.5—1 секунды после смешивания растворов перекиси и Бе804. Это время необходимо для того, чтобы добавить перекись и перевести прибор в режим измерения интенсивности хемилюминесценции. Использовались реактивы "ч.д.а.", дважды дистиллированная и просто дистиллированная вода (рН 6). При регистрации излучения от образца определение шума регистрирующего прибора, который вычитался автоматически, проводили непосредственно перед и сразу после каждого измерения. Нижний предел обна-ружимости излучения определяется флуктуация-ми шума. Измерения показали, что среднеквадратичные флуктуации шума составляют от 200 до 500 импульсов в секунду в зависимости от состояния прибора. Минимально обнаружимый эффект составляет ~200 1/с.

Время измерения выбрано согласно методике [1] 30 с. Каждая точка обсчитывалась в 10—12 по-вторностях. Радиационный фон контролировался дозиметром ДБГБ-01 "Ратон-901" непосредственно перед и во время измерения светового выхода. Интервал отсчетов дозиметра составлял 40 с. Чистота растворов, состав продуктов реакции на разных стадиях контролировались путем наблюдения УФ-спектров с помощью прибора Флюорат-02 Панорама.

Спектральные характеристики излучения качественно оценивались с помощью светофильтров из синих и красных пластиковых пленок толщиной 0.5 мм. Спектр пропускания пленок измерялся прибором Флюорат-02 Панорама. Полоса пропускания синего фильтра на уровне не менее 10% от максимума лежит в диапазоне от 410

Таблица 1. Константы скорости реакций

№ Реакция kh л/(моль с), [3]

1 Бе2+ + Н2О2 —► Бе3+ + ОН* + ОН- k1 = 56

2 ОН * + Н2О2 — НО2 + Н2О Ь2 = 3 х 107

3 НО2 + НО2 — Н2О2 + О2 + О2(а1Д§) k3 = 8.3 х 105

4 Бе2+ + ОН* — Бе3+ + ОН- k4 = 3 х 108

5 ОН * + ОН* — Н2О + 1/2(О2 + О2(а1Д§)) k5 = 5.5 х 109

6 ОН * + НО2 — Н2О + О2 + О2(а1Д§) k6 = 7.1 х 109

7 но2 — н+ + о2- k7 = 7.5 х 106

8 н+ + о'- — но2 k8 = 1.2 х 102, pKa = 4.8

9 но2 + о2- — но- + о2 ^ = 9.7 х 107

10 но2 + он- — о2- + н2о ^ = 1010

11 О2- + Бе3+ — Бе2+ + О2 k11 = 1.9 х 109

12 Н2О2 — НО- + Н+ k12 = 2 х 10-2

13 НО- + Н+ —- Н2О2 k13 = 1010, р^ = 11.5

14 он* + но- — но2 + он- k14 = 7.5 х 109

15 О2- + ОН* + Н+ —- Н2О + О2(а1Д§) k15 = 1010

16 О2- + Н+ —- 1/2Н2О2 + 1/2О2(а1Д8) kl6 = 1010

17 е- + О2 + М — О2- + М = 2 х 1010

18 н* + о2 + м — но2 + м k18 = 2 х 1010

19 Бе3+ + 3ОН- —- Бе(ОН)3 ^ = 106, рН 12

20 О2(ахД§) + О2(ахД§) — 2О2 + у ^ = 0.1

21 О2(ахД§) + О2(ахД§) —»- продукты ^ = 1011

22 Распад О2(ахД§) т1/2 = 2.9 х 10-4 с

23 н2о2 + о2- — он- + он* + о2 k2з = 16

до 590 нм, красного — от 590 до 750 нм. Отбирались пленки, не дающие вторичного излучения в видимой области спектра.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Кинетическая модель процесса. Модель процесса включала реакцию Фентона, взаимодействие радикалов, продуктов этой реакции, образование и высвечивание синглетного кислорода. Схема реакций представлена в табл. 1. Константы скорости реакций взяты из работы [3]. Концентрации ионов ОН- и Н+ (рН раствора) задавались в виде коэффициентов. Модель включает взаимодействие двухвалентного железа с перекисью водорода и последующее образование радикалов

ОН*, НО2, О2- и синглетного кислорода, диссоциацию перекиси водорода Н2О2 о НО- + Н+, р^ = 11.5 (реакции 12, 13) и равновесие НО- о

о Н+ + О2-, р^ = 4.8 (реакции 7, 8). Предполагалось, что в нейтральной и щелочной среде трехва-

лентное железо выпадает в осадок: Бе3+ + ЗОН ^ ^ Бе(ОН)3^ (реакция 19), табл. 1. Под действием внешнего ионизирующего излучения происходит радиолиз воды. Состав продуктов радиолиза и их реакции известны [4]. Эти реакции включены в схему расчета (табл. 1). Решение системы уравнений химической кинетики осуществлялось с помощью пакета Ма&Саё 11. Задача численного моделирования заключалась в том, чтобы оценить вклад конкретных механизмов и получить оценки концентрации активных частиц (радикалов и молекулярных продуктов). Эти данные необходимы для количественного анализа биологических процессов под действием физико-химических факторов воздействия.

Выход продуктов радиолиза воды, создаваемых радиационным фоном. Известно, что мощность дозы, создаваемой радиационным фоном, который определялся космическим излучением и другими факторами, составляет от 0.05 до 0.3 мкЗв/ч. В воде излучение создает продукты радиолиза. Выход первичных продуктов радиолиза при рН 7 приведен в табл. 2.

1142

ЕРМОЛИН и др.

Таблица 2. Выход первичных продуктов радиолиза воды и радикалов при рН 7 [4]

Продукт У ст х 1018, моль/(кг с)

% 2.8 9.5

Н* 0.5 1.7

0Н* 2.8 9.5

Н202 0.7 2.4

Н2 0.45 1.53

Обозначения: у — выход на 100 эВ, ст — выход радикалов. В случае гидратированного электрона и атомарного водорода образуются радикалы 02 и НО2 соответственно.

Таблица 3. Стационарные концентрации активных частиц (моль/л), образующихся в воде под действием радиационного фона (0.012—1.2 мкЗв/ч) и выход радикалов (расчет)

Продукт радиолиза 0.012 мкЗв/ч 0.12 мкЗв/ч 1.2 мкЗв/ч т, с

02- 02(а1Д§) 0Н* Н02 1 х 10-16 7 х 10-16 1 х 10-24 2 х 10-26 (2 х 10-16) 1.4 х 10-15 2.4 х 10-15 1 х 10-23 3 х 10-25 (4.7 х 10-16) 1.9 х 10-14 8 х 10-15 1 х 10-22 3 х 10-24 (2.1 х 10-15) 100-200 1000-1500 1 1 > 20 мин

Обозначения: т — время установления стационарной концентрации. Величины в скобках — количество фотонов, образующихся за 30 с (моль/л).

Значения выходов радикалов рассчитаны для среднего радиационного фона 0.12 мкЗв/ч. Это соответствует энергии, выделяемой в 1 л воды, 2.06 х 108 эВ/с. Образующиеся при радиолизе частицы, обладающие восстановительными свойствами (гидратированный электрон и атомарный водород), взаимодействуют с кислородом, растворенным в воде, образуя радикалы 0 (реакции 17 и 18).

2 и НО2

Свечение воды. При протекании в воде реакций с участием свободных радикалов, инициированных реактивом Фентона, наблюдается свечение, регистрируемое прибором БХЛ-06. С помощью красного и синего светофильтров оценивался спектральный состав излучения. Установлено, что синий светофильтр ослабляет свечение более, чем в 10 раз, а с красным фильтром интенсивность свечения не меняется. При регистрации излучения, возникающегося без реактива Фентона, соотношение было аналогичным. Свечение может возникать, если продукты реакций образуются в возбужденном состоянии. Почти все продукты реакций, приведенных в табл. 1, могут образовывать возбужденные состояния, высвечивающиеся в УФ-области спектра (длина волны меньше 400 нм).

В красной области может высвечиваться только димер синглетного кислорода (X = 480, 535 и 580 нм) [5-8].

Проанализируем каналы образования син-глетного кислорода. Правила отбора по спину разрешают образование синглетного кислорода вместе с триплетным в реакциях (3), (5), (6) табл. 1. Соотношение вероятностей заселения синглет-ного и триплетного состояний определяется правилами квантовой механики и равно 1:3. Только синглетный кислород может образовываться в реакциях (15), (16). Расчет показал, что выход 02(а1Дй) в реакциях (3), (5), (6) мал, так как мала

концентрация радикалов Н02 и ОН*. Поэтому основным каналом образования синглетного

кислорода являются реакции с радикалом 02-

(15), (16).

Стационарные концентрации продуктов радиолиза. При постоянном действии радиационного фона продукты радиолиза накапливаются, и устанавливается их стационарная концентрация. Стационарная концентрация зависит от уровня радиационного фона. В табл. 3 приведены рассчитанные значения стационарной концентрации короткоживущих продуктов и время установления стационарной концентрации. Время установления стационарной концентрации зависит от уровня радиационного фона. Во время наших экспериментов радиационный фон составлял от 0.1 до 0.15 мкЗв/ч, поэ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком