Радиоактивный газ радон ‒ что следует знать? К какому семейству химических элементов относится радон

Радон (лат. Radonum), Rn, радиоактивный химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 86, относится к инертным газам. Три α-радиоактивных изотопа Радон встречаются в природе как члены естественных радиоактивных рядов. 219 Rn (член ряда актиноурана; период полураспада Т ½ = 3,92 сек); 220 Rn (ряд тория, Т ½ = 54,5 сек) и 222 Rn (ряд урана - радия, Т ½ = 3,823 сут). Изотоп 219 Rn называется также актинон (символ An), 220 Rn - торон (Tn), a 222 Rn называется истинным Радоном и часто обозначают просто символом Rn. Искусственно, с помощью ядерных реакций получено свыше 20 изотопов Радона с массовыми числами между 201 и 222. Для синтеза нейтронодефицитных изотопов Радона с массовыми числами 206-212 в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, СССР) создана специальная газохроматографическая установка, позволяющая за полчаса получать сумму этих изотопов в радиохимически чистом виде.

Открытие Радона - результат ранних работ по изучению радиоактивности. В 1899 американский физик Р. Б. Оуэнс обнаружил, что при распаде Th образуется некая радиоактивная субстанция, которую можно удалить из растворов, содержащих Th, потоком воздуха. Эту субстанцию Э. Резерфорд назвал эманацией (от лат. emano - вытекаю). В 1899 году Резерфорд, работавший тогда в Канаде, доказал, что открытая Оуэнсом эманация тория - радиоактивный газ. В том же году Э. Дорн в Германии и А. Дебьерн во Франции сообщили, что и при распаде радия образуется эманация (эманация радия, радон). В 1903 была открыта и эманация актиния, актинон (природные изотопы Радона и в настоящее время часто называют эманациями). Таким образом в случае Радона ученые практически впервые столкнулись с существованием у одного элемента нескольких разновидностей атомов, которые позднее и были названы изотопами. Э. Резерфорд, У. Рамзай, Ф. Содди и других показали, что эманация радия - новый химический элемент, относящийся к инертным газам. За способность люминесцировать в конденсированном состоянии Радон предполагали назвать нитоном (от лат. nitens - сияющий).

Радон - один из самых редких элементов. Содержание его в земной коре глубиной до 1,6 км около 115 т. Образующийся в радиоактивных рудах и минералах Радон постепенно поступает на поверхность земли, в гидросферу и в атмосферу. Средняя концентрация Радона в атмосфере около 6·10 -17 % (по массе); в морской воде - до 0,001 пкюри/л.

При нормальных условиях Радон - газ без цвета, запаха и вкуса; t кип -61, 8°С, t пл -71°С. Плотность при 0°С около 9,9 г/л. В 1 объеме воды при 0°С растворяется около 0,5 объема Радона (в органических растворителях значительно больше). На внешней электронной оболочке атома Радона находится 8 электронов (конфигурация 6s 2 6р 6), именно поэтому химически Радон весьма недеятелен. Как и ксенон, Радон дает фторид (вероятно, состава RnF 2), который при 500 °С восстанавливается водородом до элементарного Радона. Как установил Б. А. Никитин, Радон может образовывать клатраты с водой, фенолом, толуолом и т. д.

Для получения Радона (его изотопа 222 Rn) через водный раствор соли радия пропускают ток газа (азота, аргона и т. п.). Прошедший через раствор газ содержит около 10 -5 % Радона. Для извлечения Радон используют или его способность хорошо сорбироваться на пористых телах (активный уголь и других), или специальные химические методы. Доступные количества чистого Радона не превышают 1 мм 3 .

Радон сильно токсичен, что связано с его радиоактивными свойствами. При распаде Радона образуются нелетучие радиоактивные продукты (изотопы Ро, Bi и Рb), которые с большим трудом выводятся из организма. Поэтому при работе с Радоном необходимо использовать герметичные боксы и соблюдать меры предосторожности.

Радон применяют в основном в медицине. Воды, содержащие Радон, используют при лечении заболеваний нервной и сердечнососудистой систем, органов дыхания и пищеварения, костей, суставов и мышц, гинекологии, заболеваний, болезней обмена веществ и других.

На определении концентрации Радона в приповерхностном слое воздуха основаны эманационные методы геологической разведки, позволяющие оценить содержание U и Th в почвах, в прилегающих к поверхности горных породах и т. д. Используется Радон также в научных исследованиях. По радиоактивности Радона, находящегося в равновесии с U или Th, иногда определяют содержание этих элементов, например в образцах горных пород. Изучение изменений структуры твердых веществ эманационным методом основано на измерении скорости выделения Радона при нагревании из твердых образцов, содержащих радиоактивные изотопы - предшественники Радон в радиоактивных рядах 232 Th или 235 U.

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Везде и повсюду нас окружает атмосферный воздух. Из чего он состоит? Ответ не составляет труда: из 78,08 процента азота, 20,9 процента кислорода, 0,03 процента углекислого газа, 0,00005 процента водорода, около0,94 процента приходится на долю так называемых инертных газов. Последние были открыты всего лишь в конце прошлого столетия. Радон образуется при радиоактивном распаде радия и в ничтожных количествах встречается в содержащих уран материалах, а также в некоторых природных водах.

Актуальность исследований.По данным Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ), Научного комитета по действию атомной радиации (НКДАР) ООН наибольшая часть дозы облучения (около 80 % от общей), получаемой населением в обычных условиях, связана именно с природными источниками радиации. Более половины этой дозы обусловлено присутствием газа радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) в воздухе зданий, в которых человек проводит более 70 % времени.

Радон - благородный инертный газ, приобретает в жизни человека все большее значение. К сожалению, преимущественно оно негативно – радон радиоактивен и потому опасен. А поскольку он непрерывно выделяется из почвы, то и распространен по всей земной коре, в подземной и поверхностной воде, в атмосфере, присутствует в каждом доме.

В цивилизованном обществе уже пришло сознание, что радоновая опасность является крупной и непростой комплексной проблемой, так как радиоэкологические процессы, вызываемые радоном, происходят на трех структурных уровнях материи: ядерном, атомно-молекулярном и макроскопическом. Поэтому решение ее подразделяется на задачи диагностики и технологии последующей нейтрализации воздействия радона на человека и биологические объекты.

В настоящее время после длительного отказа ведущих мировых держав от испытаний ядерного оружия риск получить значительную дозу облучения в сознании большинства людей связывается с действием атомных электростанций. Особенно после Чернобыльской катастрофы. Однако следует знать, что опасность облучения есть, даже если вы находитесь в собственном доме. Угрозу здесь представляет природный газ - радон и тяжелометаллические продукты его распада. Действие их человечество испытывает на себе на протяжении всего времени существования.

Цель работы: Исследование природы радона, его соединений, влияние на человека, а так же исследование источников поступления радона в здание и оценка эффективности применения в качестве радонозащитных покрытий различных материалов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДОНЕ

Уже с ХVI века людям было известно о гибельных последствиях пребывания в некоторых местностях и зонах, но о самом газе никто еще и не догадывался. В поселках рудокопов в горах южной Германии женщины по нескольку раз шли под венец: мужей уносила загадочная быстротекущая болезнь – «горняцкая чахотка». Практиковавшие в тех местах врачи упоминали о существовании забоев, в которых при отсутствии должной вентиляции люди испытывали одышку и усиленное сердцебиение, часто теряли сознание и иногда погибали. При этом ни на вкус, ни на запах в воздухе не обнаруживалось каких-либо примесей. Поэтому и неудивительно, что тогда считали - людей губят потревоженные горные духи. И только великий Парацельс, работавший врачом в такой же местности, писал о необходимости очищения воздуха в рудниках: «Мы обязаны предотвращать соприкосновение организма с эманациями металлов, ибо, если организм поврежден ими единожды, излечения уже не может быть».

Окончательно с «горняцкой чахоткой» разобрались только в 1937 г., установив, что эта болезнь есть ни что иное, как одна из форм рака легких, вызываемая высокой концентрацией радона.

Радоновая проблема изучается с самых ранних этапов развития ядерной физики, но особенно серьезно и масштабно она стала выявляться после моратория на ядерные взрывы и благодаря рассекречиванию полигонов. При сравнении эффектов облучения оказалось, что в каждой квартире, в каждой комнате есть свои локальные ядерные радоновые «полигончики».

Изотопы радона сорбируются (поглощаются) твердыми веществами. Наиболее продуктивным в этом отношении является уголь, поэтому угольные шахты должны находиться под усиленным вниманием правительства. Это же относится ко всем отраслям промышленности, потребляющим данный вид топлива.

Сорбированные атомы радона очень мобильны и продвигаются от поверхности твердого вещества в глубинные слои. Это относится к органическим и неорганическим коллоидам, биологическим тканям, что существенно обостряет радоновую опасность. Сорбирующие свойства веществ существенно зависят от температуры ранее адсорбированных компонентов, влагонасыщенности и многих других параметров. Эти свойства желательно привлекать к разработке различных антирадоновых средств.

В Казахском национальном университете им. Аль-Фараби измерены высотные профили распределения радона по этажам зданий, в помещениях и на открытом воздухе. Известные закономерности подтвердились, но найдены и иные, которые экспериментально применяются для разработки антирадоновых технических средств. Установлено, что несколько раз в месяц содержание радона в приземной атмосфере может увеличиться во много раз. Эти «радоновые бури» сопровождаются резким увеличением радиоактивности в воздухе, не только способствуя развитию рака легких, но вызывая и функциональные нарушения у практически здоровых людей - примерно у 30% появляются одышка, учащенное сердцебиение, приступы мигрени, бессонница и т.д. Особую же опасность возмущения представляют для больных и пожилых людей, а также малышей.

Оказалось, что возникновение радоново-аэроионных бурь связано с физическими процессами, происходящими на Солнце, с появлением темных пятен на поверхности светила. Интересное предположение о возможном механизме, связывающем солнечную активность со значительным увеличением содержания радона, было сделано московским ученым А.Э. Шемьи-Заде. Проанализировав данные по радоновой активности атмосферы, полученные в Средней Азии, Прибалтике, Швеции и т.д., он выявил корреляцию уровня радоновой активности земной атмосферы с солнечными и геомагнитными процессами в различные годы и в разных регионах.

Концентрация радона в микропорах горных пород (обычных гранитах и базальтах) в миллионы раз выше, чем в приземной атмосфере и достигает 0,5-5,0 Бк/м3. Активность радона принято измерять в числе его распадов в 1 м3 - 1 Беккерель (Бк) соответствует одному распаду в секунду. Этот радон, как показали расчеты ученого, вследствие магнитострикционного сжатия-растяжения в высокочастотном поле геомагнитных возмущений «выжимается» из выходящих на поверхность микропор. Амплитуда магнитострикции, происходящей в постоянном по величине магнитном поле Земли, под действием малых геомагнитных возмущений пропорциональна содержанию магнетита в породе (обычно до 4 %), а частота определяется геомагнитными вариациями. Амплитуда магнитострикционного сжатия горных пород в поле геомагнитных возмущений очень мала, однако эффект вытеснения радона обусловлен во-первых высокой частотой возмущений, а во-вторых – высокой концентрацией газа. Оказывается, если в столбе атмосферного воздуха сечением в один километр «размешать» слой, выделенный из горных пород толщиной всего в один миллиметр, то концентрация радона в этом столбе возрастет в 10 раз.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

После открытия радия, когда ученые с большим увлечением познавали тайны радиоактивности, было установлено, что твердые вещества, находившиеся в близком соседстве с солями радия, становились радиоактивными. Однако спустя несколько дней радиоактивность этих веществ исчезла бесследно.

Радон открывали неоднократно, и в отличие от других подобных историй каждое новое открытие не опровергало, а лишь дополняло предыдущие. Дело в том, что никто из ученых не имел дела с элементом радоном - элементом в обычном для нас понимании этого слова. Одно из нынешних определений элемента - «совокупность атомов с общим числом протонов в ядре», т. е. разница, может быть лишь в числе нейтронов. По существу элемент - совокупность изотопов. Но в первые годы нашего века еще не были открыты протон и нейтрон, не существовало самого понятия об изотонии.

Изучая ионизацию воздуха радиоактивными веществами, супруги Кюри заметили, что различные тела, находящиеся вблизи радиоактивного источника, приобретают радиоактивные свойства, которые сохраняются не которое время после удаления радиоактивного препарата. Мария Кюри-Склодовская назвала это явление индуцированной активностью. Другие исследователи и, прежде всего Резерфорд, пытались в 1899/1900 гг. объяснить это явление тем, что радиоактивное тело образует некоторое радиоактивное истечение, или эманацию (от лат. emanare - истекать и emanatio - истечение), пропитывающие окружающие тела. Однако, как оказалось, это явление свойственно не только препаратам радия, но и препаратам тория и актиния, хотя период индуцированной активности в последних случаях меньше, чем в случае радия. Обнаружилось также, что эманация способна вызывать фосфоресценцию некоторых веществ, например осадка сернистого цинка. Менделеев описал этот опыт, продемонстрированный ему супругами Кюри, весной 1902 г.

Вскоре Резерфорду и Содди удалось доказать, что эманация - это газообразное вещество, которое подчиняется закону Бойля и при охлаждении переходит в жидкое состояние, а исследование ее химических свойств показало, что эманация представляет собой инертный газ с атомным весом 222 (установленным позднее). Название эманация (Emanation) предложено Резерфордом, обнаружившим, что ее образование из радия сопровождается выделением гелия. Позднее это название было изменено на "эманация радия (Radium Emanation - Rа Em)" с тем, чтобы отличать ее от эманаций тория и актиния, которые в дальнейшем оказались изотопами эманации радия. В 1911 г. Рамзай, определивший атомный вес эманации радия, дал ей новое название "нитон (Niton)" от лат. nitens (блестящий, светящийся); этим названием он, очевидно, желал подчеркнуть свойство газа вызывать фосфоресценцию некоторых веществ. Позже, однако, было принято более точное название радон (Radon) - производное от слова "радий". Эманации тория и актиния (изотопы радона) стали именовать тороном (Thoron) и актиноном (Actinon).

Прежде всего, что за годы, прошедшие со дня открытия радона, его основные константы почти не уточнялись и не пересматривались. Это свидетельство высокого экспериментального мастерства тех, кто определил их впервые. Лишь температуру кипения (или перехода в жидкое состояние из газообразного) уточнили. В современных справочниках она указана совершенно определенно - минус 62° С.

Еще надо добавить, что ушло в прошлое представление об абсолютной химической инертности радона, как, впрочем, и других тяжелых благородных газов. Еще до войны член-корреспондент Академии наук СССР Б.А. Никитин в ленинградском Радиевом институте получил и исследовал первые комплексные соединения радона - с водой, фенолом и некоторыми другими веществами. Уже из формул этих соединений: Rn 6H 2 O, Rn 2CH 3 С 6 H 5 , Rn 2С 6 Н 5 ОН - видно, что это так называемые соединения включения, что радон в них связан с молекулами воды или органического вещества лишь силами Ван-дер-Вальса. Позже, в 60-х годах, были получены и истинные соединения радона. По сложившимся к этому времени теоретическим представлениям о галогенидах благородных газов, достаточной химической стойкостью должны обладать соединения радона: RnF 2 , RnF 4 , RnCl 4 , RnF 6 .

Фториды радона были получены сразу же после первых фторидов ксенона, однако точно идентифицировать их не удалось. Скорее всего, полученное малолетучее вещество представляет собой смесь фторидов радона.

Радон, открытый Дорном, это самый долгоживущий изотоп элемента № 86. Образуется при α-распаде радия-226. Массовое число этого изотопа - 222, период полураспада - 3,82 суток. Существует в природе как одно из промежуточных звеньев в цепи распада урана-238.

Эманация тория (торон), открытая Резерфордом и Оуэнсом, член другого естественного радиоактивного семейства - семейства тория. Это изотоп с массовым числом 220 и периодом полураспада 54,5 секунды.

Актинон, открытый Дебьерном, тоже член радиоактивного семейства тория. Это третий природный изотоп радона и из природных - самый короткоживущий. Его период полураспада меньше четырех секунд (точнее 3,92 секунды), массовое число - 219.

Всего сейчас известно 19 изотопов радона с массовыми числами 204 и от 206 до 224. Искусственным путем получено 16 изотопов. Нейтронодефицитные изотопы с массовыми числами до 212 получают в реакциях глубокого расщепления ядер урана и тория высокоэнергичными протонами. Эти изотопы нужны для получения и исследования искусственного элемента астата. Эффективный метод разделения нейтронодефицитных изотопов радона разработали недавно в Объединенном институте ядерных исследований.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАДОНА

Благородные газы – бесцветные одноатомные газы без цвета и запаха.
Инертные газы обладают более высокой электропроводностью по сравнению с другими газами и при прохождении через них тока ярко светятся: гелий ярко-жёлтым светом, потому что в его сравнительно простом спектре двойная жёлтая линия преобладает над всеми другими; неон огненно красным светом, так как самые яркие его линии лежат в красной части спектра.
Насыщенный характер атомных молекул инертных газов сказывается и в том, что инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, чем другие газы с тем же молекулярным весом.

Радон светится в темноте, без нагревания испускает тепло, со временем образует новые элементы: один из них - газообразный, другой - твердое вещество. Он в 110 раз тяжелее водорода, в 55 раз тяжелее гелия, в 7 с лишним раз тяжелее воздуха. Один литр этого газа весит почти 10 г (точнее 9,9 г).

Радон - бесцветный газ, химически совершенно инертный. Радон лучше других инертных газов растворяется в воде (в 100 объемах воды растворяется до 50 объемов радона). При охлаждении до минус 62°С радон сгущается в жидкость, которая в 7 раз тяжелее воды (удельный вес жидкого радона почти равен удельному весу цинка). При минус 71°С радон "замерзает". Количество радона, выделяемое солями радия, очень мало, и чтобы получить 1 л радона, нужно иметь более 500 кг радия, в то время как на всем земном шаре в 1950 г. его было получено не более 700 г.

Радон - радиоактивный элемент. Испуская α-лучи, он превращается в гелий и твердый, тоже радиоактивный элемента который является одним из промежуточных продуктов в цепи радиоактивных превращений радия.

Естественно было ожидать, что столь химически инертные вещества, как инертные газы, не должны влиять и на живые организмы. Но это не так. Вдыхание высших инертных газов (конечно в смеси с кислородом) приводит человека в состояние, сходное с опьянением алкоголем. Наркотическое действие инертных газов обуславливается растворением в нервных тканях. Чем выше атомный вес инертного газа, тем больше его растворимость и тем сильнее его наркотическое действие.

Ко времени открытия радона, типичного представителя благородных газов, существовало мнение, что элементы этой группы химически инертны и не способны образовывать истинные химические соединения. Известны были лишь клатраты, образование которых происходит за счет сил Ван-дер-Ваальса. К их числу относятся гидраты ксенона, криптона и аргона, которые получаются сжатием соответствующего газа над водой до давления, превышающего упругость диссоциации гидрата при данной температуре. Для получения аналогичных клатратов радона и обнаружения его по изменению упругости пара потребовалось бы практически недоступное количество этого элемента. Новый метод получения клатратных соединений благородных газов был предложен Б.А. Никитиным и состоял в изоморфном соосаждении молекулярного соединения радона с кристаллами специфического носителя. Изучая поведение радона при процессах соосаждения его с гидратами сернистого газа и сероводорода, Никитин показал, что существует гидрат радона, который изоморфно соосаждается с SO 2Ч6 H 2 O и H 2 S Ч6 H 2 O. Масса радона в этих опытах составляла 10-11 г. Аналогично получены клатратные соединения радона с рядом органических соединений, например с толуолом и фенолом.

Исследования химии радона возможны лишь с субмикроколичествами этого элемента при использовании в качестве специфических носителей соединений ксенона. Следует, однако, учитывать, что между ксеноном и радоном находится 32 элемента (наряду с 5d-, 6s- и 6р-происходит заполнение 4f-орбит), что определяет большую металличность радона по сравнению с ксеноном.

Первое истинное соединение радона -дифторид радона - было получено в 1962 г. вскоре после синтеза первых фторидов ксенона. RnF 2 образуется как при непосредственном взаимодействии газообразных радона и фтора при 400°С, так и при окислении его дифторидом криптона, ди- и тетрафторидами ксенона и некоторыми другими окислителями. Дифторид радона устойчив до 200° С и восстанавливается до элементарного радона водородом при 500°С и давлении H 2 , равном 20 МПа. Идентификация дифторида радона осуществлена путем изучения его сокристаллизации с фторидами и другими производными ксенона.

Ни с одним окислителей не получено соединение радона, где его степень окисления была бы выше +2. Причиной этого является большая устойчивость промежуточного продукта фторирования (RnF+X-) по сравнению с аналогичной формой ксенона. Это обусловлено большей ионностью связи в случае радонсодержащей частицы. Как показали дальнейшие исследования, преодолеть кинетический барьер реакций образования высших фторидов радона можно либо введением в реакционную систему дифторида никеля, обладающего наивысшей каталитической активностью в процессах фторирования ксенона, либо осуществлением реакции фторирования в присутствии бромида натрия. В последнем случае большая, чем у дифторида радона, фтордонорная способность фторида натрия позволяет конвертировать RnF+ в RnF 2 в результате реакции: RnF+SbF 6 + NaF = RnF2 + Na+SbF 6 . RnF 2 фторируется с образованием высших фторидов, при гидролизе которых образуются высшие оксиды радона. Подтверждением образования соединений радона в высших валентных состояниях является эффективная сокристаллизация ксенатов и радонатов бария.

Долгое время не находили условий, при которых благородные газы могли бы вступать в химическое взаимодействие. Они не образовывали истинных химических соединений. Иными словами их валентность равнялась нулю. На этом основании было решено новую группу химических элементов считать нулевой. Малая химическая активность благородных газов объясняется жёсткой восьмиэлектронной конфигурацией внешнего электронного слоя. Поляризуемость атомов растёт с увеличением числа электронных слоёв. Следовательно, она должна увеличиваться при переходе от гелия к радону. В этом же направлении должна увеличиваться и реакционная способность благородных газов.
Так, уже в 1924 году высказывалась идея, что некоторые соединения тяжелых инертных газов (в частности, фториды и хлориды ксенона) термодинамически вполне стабильны и могут существовать при обычных условиях. Через девять лет эту идею поддержали и развили известные теоретики - Полинг и Оддо. Изучение электронной структуры оболочек криптона и ксенона с позиций квантовой механики привело к заключению, что эти газы в состоянии образовывать устойчивые соединения с фтором. Нашлись и экспериментаторы, решившие проверить гипотезу, но шло время, ставились опыты, а фторид ксенона не получался. В результате почти все работы в этой области были прекращены, и мнение об абсолютной инертности благородных газов утвердилось окончательно.

Исторически первым и наиболее распространенным является радиометрический метод определения радона по радиоактивности продуктов его распада и сравнению ее с активностью эталона.

Изотоп 222Rn может быть определен и непосредственно по интенсивности собственного α-излучения. Удобным методом определения радона в воде является экстракция его толуолом с последующим измерением активности толуольного раствора с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика.

При концентрациях радона в воздухе значительно ниже предельно допустимых определение его целесообразно проводить после предварительного концентрирования путем химического связывания подходящими окислителями, например BrF 2 SbF 6 , O 2 SbF 6 и др.

ПОЛУЧЕНИЕ

Для получения радона через водный раствор любой соли радия продувают воздух, который уносит с собой образующийся при радиоактивном распаде радия радон. Далее воздух тщательно фильтруют для отделения микрокапель раствора, содержащего соль радия, которые могут быть захвачены током воздуха. Для получения собственно радона из смеси газов удаляют химически активные вещества (кислород, водород, водяные пары и т. Д.), остаток конденсируют жидким азотом, затем из конденсата отгоняют азот и другие инертные газы (аргон, неон и т.д).

Как указывалось ранее, источником получения естественного изотопа 222Rn является 226Ra. В равновесии с 1 г радия находится 0,6 мкл радона. Попытки выделения радона из неорганических солей радия показали, что даже при температуре, близкой к температуре плавления, радон из них полностью не извлекается. Высокой эманирующей способностью обладают соли органических кислот (пальмитиновой, стеариновой, капроновой), а также гидроксиды тяжелых металлов. Для приготовления высокоэманирующего источника соединение радия, как правило, соосаждается с бариевыми солями указанных органических кислот или гидроксидами железа и тория. Эффективным является также выделение радона из водных растворов солей радия. Обычно растворы радия оставляют на некоторое время в ампуле для накопления радона; через определенные промежутки времени радон откачивают. Выделение радона после очистки, как правило, осуществляется физическими методами, например, адсорбцией активированным углем с последующей десорбцией при 350°С.

Помимо физических методов улавливания радона (адсорбционные, криогенные и др.), эффективное выделение радона из газовой смеси может быть достигнуто путем превращения его под действием окислителей в нелетучую химическую форму. Так, радон практически количественно может быть поглощен солями состава ClF 2 SbF 6 , BrF 2 SbF 6 , O 2 SbF 6 и некоторыми жидкими фторогалидами в результате образования нелетучих солей состава RnF+X-, где X- - сложный анион.

Выделение искусственно получаемых изотопов радона, в основном 211Rn (Т = 14 ч), связано с отделением его от материала мишени - тория и сложной смеси продуктов реакций глубокого отщепления.

НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

Радон в ничтожных количествах находится в растворенном состоянии в водах минеральных источников, озер и лечебных грязях. Он находится в воздухе, наполняющем пещеры, гроты, глубокие узкие долины. В атмосферном воздухе количество радона измеряется величинами порядка 5·10-18 % - 5·10-21 % по объему.

Входит в состав радиоактивных рядов 238 U, 235 U и 232 Th. Ядра радона постоянно возникают в природе при радиоактивном распаде материнских ядер. Равновесное содержание в земной коре 7·10 −16 % по массе. Ввиду химической инертности радон относительно легко покидает кристаллическую решётку «родительского» минерала и попадает в подземные воды, природные газы и воздух. Поскольку наиболее долгоживущим из четырёх природных изотопов радона является 222 Rn, именно его содержание в этих средах максимально.

Концентрация радона в воздухе зависит в первую очередь от геологической обстановки (так, граниты, в которых много урана, являются активными источниками радона, в то же время над поверхностью морей радона мало), а также от погоды (во время дождя микротрещины, по которым радон поступает из почвы, заполняются водой; снежный покров также препятствует доступу радона в воздух).

ПРИМЕНЕНИЕ РАДОНА

Справедливости ради нельзя не отметить и некоторые лечебные свойства радона, связанные с применением так называемых радоновых ванн. Они оказываются полезными при лечении ряда хронических заболеваний: язвенной болезни двенадцатиперстной кишки и желудка, ревматизма, остеохондроза, бронхиальной астмы, экзем и др. Радонотерапия может заменить плохо переносимые лекарства. В отличие от сероводородных, углекислых, грязевых ванн, радоновые переносятся гораздо легче. Но подобные процедуры должны проводиться под строгим контролем специалистов, так как лечебные дозы газа в радоновых ваннах значительно ниже предельно допустимых норм. В этом случае польза и вред радона конкурируют друг с другом. Так, специалисты подсчитали, что отрицательный эффект при приеме сеанса из 15 радоновых ванн по 15 минут каждая равносилен выкуриванию 6 сигарет (считается, что одна сигарета может сократить срок жизни на 15 минут). Поэтому возможный вред от радоновых ванн считается несущественным при лечении заболеваний.

При определении дозы радиации вредной для здоровья человека существуют две концепции. Первая исходит из представления о том, что есть некая пороговая доза, ниже которой радиация не только безвредна, но даже полезна для организма. Эта теория возникла, очевидно, по аналогии с представлением о малых дозах ядов, помогающих лечить ряд болезней, или малых доз алкоголя, улучшающих самочувствие человека. Однако если малые дозы ядов или алкоголя попросту активизируют отдельные клетки организма, то даже незначительные дозы излучения попросту уничтожают их. Поэтому авторы придерживаются другой, беспороговой концепции. Согласно ей вероятность заболевания раком прямо пропорциональна полученной в течение жизни дозы радиации. А значит не существует никакой минимальной дозы, ниже которой радиация была бы безвредной.

Радон используется в сельском хозяйстве для активации кормов домашних животных, в металлургии в качестве индикатора при определении скорости газовых потоков в доменных печах, газопроводах. В геологии измерение содержания радона в воздухе и воде применяется для поиска месторождений урана и тория, в гидрологии - для исследования взаимодействия грунтовых и речных вод.

Радон находит широкое применение для исследования твердофазных превращений. Основой этих исследований является эманационный метод, позволяющий изучать зависимость скорости выделения радона от физических и химических превращений, происходящих при нагревании твердых веществ, содержащих радий.

Радон применяется также при изучении диффузии и явлений переноса в твердых телах, при исследовании скорости движения и обнаружения утечек газов в трубопроводах.

Во всем мире прилагаются громадные усилия для решения проблемы прогноза землетрясений, но тем не менее мы часто оказываемся бессильны перед неожиданным натиском стихии земных недр. Поэтому не прекращаются поиски новых предвестников сейсмических событий. Исследования последних лет привели к идее прогноза сейсмических событий на основе изучения процесса выделений (эксгаляции) газа радона из массива горных пород. Анализ этих данных возвращает нас к старой теории упругой отдачи Джильберта-Рейда (1911 год), согласно которой накопление энергии в массиве горных пород перед землетрясением и сброс этой энергии в процессе землетрясения происходят в областях, где эти породы испытывают упругую деформацию.

Способ прогноза землетрясений, заключающийся в проведении режимных наблюдений изменения концентрации радона в массиве горных пород, отличается тем, что производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину. И по серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии, указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения выделения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события.

РАДОН В УРАЛЬСКОМ РЕГИОНЕ

Практически самая высокая в России загрязненность воздуха связана не только с тем, что на Урале со времен заводчиков Демидовых сосредоточены крупнейшие промышленные предприятия страны. Почва и старые Уральские горы изобилуют разломами, которые излучают радон, проникающий в наши дома. По количеству точек, где это происходит, Свердловская область находится на втором месте в стране.

Но когда же так громко заговорили о проблеме радона у нас на Урале? В конце 80-х, когда появился первый меодический документ по контролю радона в жилищах. Затем вышло постановление екатеринбургской мерии о том, что во всем сдаваемом жилье должны проводиться измерения радона. А в 94 году начала реализовываться Федеральная целевая программа «Радон». В ней была и региональная часть, которая, в частности, касалась Свердловсой области.

Ранее финансирование ее, в частности из экологического Фонда, шло активнее, да и качественных измерений было больше. Институт промышленной экологии УрО РАН участвовал в этой программе и проводил в год несколько сот измерений. В итоге сейчас имеются материалы о проведении измерений более чем в трех тысячах жилищ Свердловской области.

На фоне карты Уральского региона достаточное количество населенных пунктов находится в местах с относительно высоким уровнем радоновой опасности. Грубо говоря территории Свердловской области разделили на 2 части. В первой уровень радоновой опасности относительно выше чем во второй, а в другой относительно ниже чем в первой. Доверять можно лишь реальным измерениям.

По данным полученным институтом промышленной экологии УрО РАН, высоким уровнем облучения радоном подвергается 50 тысяч человек.

В 1,1 процент жилищ Свердловской области объемная активность радона превышает гигиенический норматив для существующих зданий. Один процент соответствует, примерно 20 тысячам жилищ в Свердловской области.

ПУТИ РЕШЕНИЯ РАДОНОВОЙ ПРОБЛЕМЫ

В настоящее время остаётся актуальной проблема облучения людей радиоактивным газом радоном. Ещё в XVI веке отмечена большая смертность горняков Чехии, Германии. В 50 – е годы ХХ века появились объяснения этому факту. Было доказано, что радиоактивный газ радон, присутствующий в шахтах урановых рудников, оказывает губительное действие на организм человека. Интересно проследить, как изменилось отношение к проблеме влияния радона в наши дни.

Анализ научно – популярных изданий показывает долю внутреннего облучения от различных источников радиации.

Таблица 1

Из таблицы следует, что 66% внутреннего облучения определяется земными радионуклидами. Согласно оценкам учёных радон и его дочерние продукты распада обеспечивают примерно ¾ годовой эффективной дозы облучения, которую получает население от земных источников радиации.

По оценкам учёных радон – 222 с точки зрения вклада в суммарную дозу облучения в 20 раз мощнее других изотопов. Этот изотоп изучается больше других и называется просто радоном. Основными источниками радона являются почва и строительные материалы.

Все строительные материалы, почва, земная кора содержат радионуклиды радия – 226 и тория – 232. В результате распада этих изотопов возникает радиоактивный газ – радон. Кроме этого при α – распадах образуются ядра, находящиеся в возбуждённом состоянии, которые переходя в основное состояние испускают γ – кванты. Эти γ – кванты формируют радиоактивный фон помещений, в которых мы находимся. Интересен тот факт, что радон, являясь инертным газом, не образует аэрозолей, т.е. не присоединяется к пылинкам, тяжёлым ионам и т.д. Из – за химической инертности и большого периода полураспада радон – 222 может мигрировать по трещинам, порам почвы и породы на большие расстояния, причём длительно (около 10 дней).

Долго вопрос о биологическом влиянии радона оставался открытым. Оказалось, что при распаде все три изотопа радона образуют дочерние продукты распада (ДПР). Они являются химически активными. Большая часть ДПР, присоединяя электроны, становятся ионами, легко присоединяются к аэрозолям воздуха, становясь его составной частью. Принцип регистрации радона в воздухе основан на регистрации ионов ДПР. Попадая в дыхательные пути ДПР радона, вызывают радиационные повреждения лёгких и бронхов.

Какими путями радон появляется в воздухе. Проанализировав данные можно выделить следующие источники атмосферного радона:

Таблица 2

Радон освобождается из почвы и воды повсюду, однако в разных точках земного шара его концентрация в наружном воздухе различна. Средний уровень концентрации радона в воздухе примерно равен 2 Бк/м 3 .

Оказалось, что основную часть дозы обусловленную радоном человек получает находясь в закрытом, непроветренном помещении. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытом помещении примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Поэтому нам было интересно узнать, что является основным источником радона в доме. Анализ данных печати приведён в таблице:

Таблица 3

Из приведённых данных следует, что объёмная активность радона в воздухе помещений формируется в основном из почвы. Концентрация радона в почве определяется содержанием в ней радионуклидов радия-226, тория-228, строением почвы и влажностью. Строение и структура земной коры определяет диффузионные процессы атомов радона, их миграционную способность. Миграция атомов радона увеличивается с увеличением влажности почвы. Эмиссия радона из почвы имеет сезонный характер.

Повышение температуры вызывает расширение пор в почве, а следовательно, увеличивает выделение радона. Кроме того, повышение температуры усиливает испарение воды, с которой в окружающее пространство выносится радиоактивный газ радон. Повышение атмосферного давления способствует проникновению воздуха вглубь почвы, концентрация радона при этом падает. Напротив, при понижении внешнего давления богатый радоном грунтовый газ устремляется к поверхности и концентрация радона в атмосфере увеличивается.

Важным фактором, уменьшающим поступление радона в помещение, является выбор территории для строительства. Кроме почвы и воздуха источником радона в доме являются строительные материалы. Испарение радона из гранул микрочастиц породы или стройматериала называется эксхаляцией. Эксхаляция радона из строительных материалов зависит от содержания в них радия, плотности, пористости материала, параметрами помещения, толщины стен, вентиляции помещений. Объёмная активность радона в воздухе помещения всегда выше, чем в атмосферном воздухе. Для характеристики строительных материалов вводится понятие длины диффузии радона в веществе.

Из стены выходят только те атомы радона, которые находятся в порах материала на глубине не большей, чем длина диффузии. На схеме представлены пути проникновения в помещение:

·Через щели в монолитных полах;

·Через монтажные соединения;

·Через трещины в стенах;

·Через промежутки вокруг труб;

·Через полости стен.

По оценкам исследований скорость поступления радона в одноэтажный дом составляет 20 Бк/м 3 час, при этом вклад бетона и других стройматериалов в эту дозу составляет всего 2 Бк/м 3 час. Содержание радиоактивного газа радона в воздухе помещений определяется содержанием в стройматериалах радия и тория. Применение в производстве стройматериалов с использованием безотходных технологий сказывается на объёмной активности радона в помещении. Использование кальций – силикатных шлаков, полученных при переработке фосфатных руд, пустых пород из отвалов обогатительных фабрик уменьшает загрязнение окружающей среды, удешевляет производство стройматериалов, человека радоном. Особенно высокой удельной активностью обладают блоки из фосфогинса, квасцовых глинистых сланцев. С 1980 г. производство такого газобетона прекращено из – за высокой концентрации радия и тория.

При оценках радонового риска всегда надо помнить, что вклад собственно радона в облучение относительно невелик. При радиоактивном равновесии между радоном и его дочерних продуктов распада(ДПР) этот вклад не превышает 2%. Поэтому доза облучения легких от ДПР радона определяется величиной, эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) радона:

С Rn экв = n Rn F Rn = 0,1046n RaA + 0,5161n RaB + 0,3793n RaC ,

где n Rn , n RaA , n RaB , n RaC – объемные активности радона и его ДПР Бк/м 3 , соответственно; F Rn –коэффициент равновесия, который определяется как отношение эквивалентной равновесной объемной активности радона в воздухе к реальной объемной активности радона. На практике всегда F Rn < 1 (0,4–0,5).

Нормативы ЭРОА радона в воздухе жилых зданий,Бк/м:

Ещё одним источником радона в помещениях является природный газ. При сгорании газа радон накапливается в кухне, котельных, прачечных и распространяются по зданию. Поэтому очень важно в местах сгорания природного газа иметь вытяжные шкафы.

В связи с наблюдаемым сегодня в мире строительным бумом опасность радонового заражения необходимо учитывать при выборе и строительных материалов, и мест постройки домов.

Оказывается, что глинозем, применявшийся десятилетиями в Швеции, кальций-силикатный шлак и фосфоргипс, широко использовавшиеся при изготовлении цемента, штукатурки, строительных блоков, также обладают высокой радиоактивностью. Однако основным источником радона в помещениях являются не строительные материалы, а грунт под самим домом, даже если этот грунт содержит вполне приемлемую активность радия - 30-40 Бк/м3. Наши дома построены как бы на губке, пропитанной радоном! Расчеты показывают, что если в обычной комнате объемом 50 м3, присутствует всего 0,5 м3 почвенного воздуха, то активность радона в ней составляет 300-400 Бк/м3. То есть дома представляют собой коробки, улавливающие радон, «выдыхаемый» землей.

Можно привести следующие данные содержания свободного радона в различных горных породах

При строительстве новых зданий предусматриваются (должны предусматриваться.) выполнение радонозащитных мероприятий; ответственность за проведение таких мероприятий, а также за оценку доз от природных источников и осуществление мероприятий по их снижению, Федеральным законом “О радиационной безопасности населения” N3-Ф3 от 9.01.96г. и разработанными на его основе Нормами радиационной безопасности НРБ-96 от 10.04.96г, возлагается на администрацию территорий . Основные направления (мероприятия) Региональных и Федеральных программ “Радон” 1996-2000 гг. следующие:

· Радиационно-гигиеническое обследование населения и народно-хозяйственных объектов;

· Радиоэкологическое сопровождение строительства зданий и сооружений.

· Разработка и реализация мероприятий по снижению облучения населения.

· Оценка состояния здоровья и осуществление профилактических медицинских мероприятий для групп радиационного риска.

· Приборно-методическое и метрологическое обеспечение работ.

· Информационное обеспечение.

· Решение этих проблем требует значительных финансовых затрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В проблеме радона остается много нерешенных вопросов. С одной стороны, они имеют чисто научный интерес, а с другой – без их решения сложно проводить какие-либо практические работы, например в рамках Федеральной программы «Радон».

Кратко эти проблемы можно сформулировать в следующем виде.

1. Модели радиационных рисков при облучении радоном получены на основе анализа данных по облучению шахтеров. До сих пор неясно, насколько справедлив перенос этой модели риска на облучение в жилищах.

2. Достаточно неоднозначна проблема определения эффективных доз облучения при воздействии ДПР радона и торона. Для корректного перехода от ЭРОА радона или торона к эффективной дозе необходимо принимать во внимание такие факторы, как доля свободных атомов и распределение активности по размерам аэрозолей. Публикуемые в настоящее время оценки связи иногда различаются в насколько раз.

3. До сих пор не существует надежной формализованной математической модели, описывающей процессы накопления радона, торона и их ДПР в атмосфере помещений с учетом всех путей поступления, параметров строительных материалов, покрытий и т.п.

4. Существуют проблемы, связанные с уточнением региональных особенностей формирования доз облучения от радона и его ДПР

1. Андруз, Дж. Введение в химию окружающей среды. Пер. с англ. – М: Мир, 1999. – 271 с.: ил.

2. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия. Учеб. для вузов / Н.С. Ахметов. – 7-е изд., стер. – М.: Высш.шк., 2008. – 743 с., ил.

3. Буторина, М.В. Инженерная экология и менеджмент: Учебник / М.В. Буторина и др.: под ред. Н.И. Иванова, И.М. Фадина.- М.: Логос, 2003. – 528 с.:ил.

4. Девакеев Р, Инертные газы: история открытия, свойства, применение. [Электронный ресурс] / Р. Девакеев. – 2006. – Режим доступа: www.ref.uz/download.php?id=15623

5. Колосов, А.Е. Радон 222,его влияние на человека. [Электронный ресурс] / А.Е. Колосов. Московская средняя школа имени Ивана Ярыгина, 2007. – Режим доступа: ef-concurs.dya.ru/2007-2008/docs/03002.doc

6. Короновский Н.В., Абрамов В.А. Землетрясения: Причины, последствия, прогноз // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 12. С. 71-78.

7. Коттон, Ф. Современная неорганическая химия, 2 часть. Пер. с англ. / Ф.Коттон, Дж. Уилкинсон: под ред. К.В. Астахова.- М.: Мир, 1969. –495 с.:ил.

8. Нефёдов, В.Д. Радиохимия. [Электронный ресурс] / В.Д. Нефёдов и др. – М: Высшая школа,1985. – Режим доступа: http://www.library.ospu.odessa.ua/online/books/RadioChimie/Predislov.html

9. Николайкин, Н.И. Экология: учебник дл вузов [Тест]/Н.И. Николайкин.- М.: Дрофа, 2005.- с.421-422

10. Уткин, В.И. Газовое дыхание Земли / В.И. Уткин // Соросовский Образовательный Журнал. - 1997. - № 1. С. 57–64.

11. Уткин, В.И. Радон и проблема тектонических землятрясений [Электронный ресурс] / В.И. Уткин Уральский государственный профессионально-педагогический университет, 2000. – Режим доступа: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1133.html

12. Уткин, В.И. Радоновая проблема в экологии [Электронный ресурс] / В.И. Уткин Уральский государственный профессионально-педагогический университет, 2000. – Режим доступа: http://209.85.129.132/search?q=cache:zprKCPOwKBcJ:www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf

13. Хуторянский, Я, Радоновый портрет: версия уральских экологов/ Я. Хуторянский // Стройкомплекс среднего Урала. -2003. -№1. С 52-55.

2. История

Открытый в 1900 г. нем. ученым Ф. Доре и англ. физиком Э. Резерфордом.

3. Происхождение названия

Английский ученый Э. Резерфорд в 1899 году отметил, что препараты тория выпускают, кроме α-частиц еще какую-то неизвестную ранее вещество, так - что воздух вокруг препаратов тория становится радиоактивным. Это вещество он предложил назвать эманация (от лат. emanatio - Истечение) тория и дать ему символ Em. Дальнейшие наблюдения показали, что и препараты радуюсь также выпускают какую-то эманацию, которая обладает радиоактивными свойствами и ведет себя как инертный газ. Сначала эманацию тория называли торона, а эманацию радия - радоном. Было доказано, что все эманации самом деле представляют собой радионуклиды нового элемента - инертного газа, которому соответствует атомный номер 86. Впервые его выделили в чистом виде Рамзай и Грей в 1908 году, они же предложили назвать газ нитон (лат. Nitens - Светящийся). В 1923 году газ получил окончательное название радон и символ Em был изменен на Rn.

4. Распространение

Один из самых редких элементов на Земле. Общее количество Р. в земной коре глубиной до 1,6 км ок. 115 т. Ср. концентрация Р. в атмосфере ок. 6 ? 10 -17% (масс.).

5. Получение

Для получения радона через водный раствор любой соли радия продувают воздуха , которое уносит с собой радон образующегося при радиоактивном распаде радия. Дальше воздуха тщательно фильтруют для отделения микрокапель раствора, содержащего соль радия и которые могут быть захвачены струей воздуха. Для получения собственно радона из смеси газов удаляют химически активные вещества (кислород , водород , водяные пары и т. д.), остаток конденсируют жидким азотом, затем из конденсата фракционно отгоняют азот и другие инертные газы (

Газ - одно из агрегатных состояний вещества. Газы присутствуют не только в воздухе на Земле, но и в космосе. Они ассоциируются с легкостью, невесомостью, летучестью. Самым легким является водород. А какой газ самый тяжелый? Давайте выясним это.

Самые тяжелые газы

Слово «газ» происходит от древнегреческого слова «хаос». Его частицы подвижны и слабо связаны друг с другом. Они движутся хаотично, заполняя собой все доступное им пространство. Газ может быть простым элементом и состоять из атомов одного вещества, а может быть соединением нескольких.

Самым простым тяжелым газом (в условиях комнатной температуры) является радон, его молярная масса 222 г/моль. Он радиоактивен и абсолютно бесцветен. После него наиболее тяжелым считается ксенон, атомная масса которого составляет 131 г/моль. Остальные тяжелые газы представляют собой соединения.

Среди неорганических соединений самым тяжелым газом при температуре +20 о С является фторид вольфрама (VI). Его молярная масса составляет 297,84 г/моль, а плотность - 12,9 г/л. В нормальных условиях он представляет собой бесцветный газ, на влажном воздухе он дымится и синеет. Гексафторид вольфрама очень активен, он легко превращается в жидкость при охлаждении.

Радон

Открытие газа произошло в период исследований по изучению радиоактивности. В ходе распада некоторых элементов ученые неоднократно отмечали некоторое вещество, испускаемое вместе с другими частицами. Э. Резерфорд назвал его эманацией.

Так была обнаружена эманация тория - торон, радия - радон, актиния - актинон. Позже было установлено, что все эти эманации являются изотопами одного и того же элемента - инертного газа. Роберт Грей и Уильям Рамзай впервые выделили его в чистом виде и провели измерения его свойств.

В периодической таблице Менделеева радон является элементом 18-й группы с атомным номером 86. Он расположен между астатом и францием. В нормальных условиях вещество является газом, не имеет вкуса, запаха и цвета.

Газ в 7,5 раз плотнее воздуха. Он растворяется в воде лучше, чем другие благородные газы. В растворителях этот показатель ещё больше увеличивается. Из всех инертных газов он является наиболее активным, легко взаимодействуя с фтором и кислородом.

Радиоактивный газ радон

Одно из свойств элемента - радиоактивность. Элемент имеет около тридцати изотопов: четыре естественные, остальные - искусственные. Все они нестабильны и подвержены радиоактивному распаду. радона, точнее, его наиболее стабильного изотопа, составляет 3,8 сут.

Из-за высокой радиоактивности газ обладает флуоресценцией. В газообразном и жидком состоянии вещество подсвечивается голубым цветом. Твердый радон изменяет свою палитру от жёлтого до красного при охлаждении до температуры азота - около -160 о С.

Радон может быть очень токсичным для человека. В результате его распада образуются тяжелые нелетучие продукты, например, полоний, свинец, висмут. Они крайне плохо выводятся из организма. Оседая и накапливаясь, эти вещества отравляют организм. После курения радон является второй наиболее распространенной причиной возникновения рака легких.

Местонахождение и применение радона

Самый тяжелый газ является одним из редчайших элементов земной коры. В природе радон входит в состав руд с содержанием урана-238, тория-232, урана-235. При их распаде он высвобождается, попадая в гидросферу и атмосферу Земли.

Радон накапливается в речных и морских водах, в растениях и почве, в строительных материалах. В атмосфере его содержание увеличивается при активности вулканов и землетрясениях, при добыче фосфатов и работе геотермальных энергетических станций.

При помощи этого газа находят тектонические разломы, месторождения тория и урана. Его используют в сельском хозяйстве для активации кормов домашних животных. Радон применяют в металлургии, при изучении грунтовых вод в гидрологии, в медицине популярны радоновые ванны.

Радон (Radon), Rn – радиоактивный химический элемент VIII группы периодической системы элементов, атомный номер 86, атомная масса 222, инертный газ, без цвета и без запаха. Радон — самый тяжелый элемент нулевой (VIIIA) группы периодической системы, единственный из благородных газов, не имеющий стабильных и долгоживущих изотопов.

В 1899 М. Кюри обнаружила, что воздух, в контакте с которым находятся соединения радия, становится радиоактивным. Впервые изотоп эманации – торон, т.е. 220 Rn (Tn) – открыли Э.Резерфорд и Р.Б.Оуэнс в 1899 г. В 1900 Ф.Дорн (и независимо почти одновременно А.Дебьерн) открыл основной изотоп радона 222 Rn (Rn), т.е. радон.

В 1903 А.Дебьерн открыл 219 Rn (An), т.е. актинон. В 1908 Р.У.Рамзай, Ф.Содди и Грей выделили радон в чистом виде. В 1923 эманация была названа радоном.

Ядра радона постоянно возникают в природе при радиоактивном распаде материнских ядер. Он в ничтожных количествах постоянно присутствуют в земной коре. Радон - один из самых редких элементов. Содержание его в земной коре глубиной до 1,6 км около 115 т. В 1 м 3 воздуха при нормальных условиях содержит 7*10 -6 г радона. Средняя концентрация радона в атмосфере 6*10 -17 мас%, равновесное содержание в земной коре 7·10 −16 % по массе, в морской воде - до 0,001 пкюри/л.

Ввиду химической инертности радон относительно легко покидает кристаллическую решётку «родительского» минерала и попадает в подземные воды, природные газы и воздух. Поскольку наиболее долгоживущим из четырёх природных изотопов радона является 222 Rn, именно его содержание в этих средах максимально.

Концентрация радона в воздухе зависит в первую очередь от геологической обстановки (так, граниты, в которых много урана, являются активными источниками радона, в то же время над поверхностью морей радона мало), а также от погоды (во время дождя микротрещины, по которым радон поступает из почвы, заполняются водой; снежный покров также препятствует доступу радона в воздух). Перед землетрясениями наблюдалось повышение концентрации радона в воздухе, вероятно, благодаря более активному обмену воздуха в грунте ввиду роста микросейсмической активности.

Изотопы радона

В настоящее время известно 34 изотопа радона с массовыми числами от 195 до 228 и периодами полураспада от 10 -6 с до 3,8 сут. Изотопы радона: 222 Rn – радон, Т=3,824 сут, образующийся при альфа-распаде 226 Rn, ряд 238 U; 220 Rn – торон, Т=55,6 с, ряд 232 Th; и 219 Rn-актинон, Т=40 с, ряд 235U. В одну из побочных ветвей (коэффициент ветвления 2×10 −7) семейства урана-радия входит также очень короткоживущий (T1/2=35 мс) 218 Rn. Все они — члены естественных радиоактивных рядов, дочерние продукты распада изотопов радия. Распадаясь с испусканием α-частиц, образуют изотопы полония.

Лёгкие изотопы радона (208 Rn - 212 Rn) образуются в реакциях глубокого расщепления при бомбардировке ториевой мишени частицами (в основном – протонами) высокой энергии или по реакциям типа 197 Au(14N,xn), где х – число нейтронов (обычно больше трёх). Из них наиболее устойчив 211 Rn (электронный захват, β+ и α-распад, T=14,6 ч). Нейтронодефицитные изотопы с массовыми числами до 212 получают в реакциях глубокого расщепления ядер урана и тория высокоэнергичными протонами. Некоторые нейтронодефицитные изотопы радона имеют также возбуждённые метастабильные состояния; таких состояний известно 13. Преобладающие моды распада у лёгких изотопов Rn - альфа-распад, позитронный распад и электронный захват. Начиная смассового числа A=212 альфа-распад становится доминирующим. Тяжёлые изотопы радона (начиная с A=223) распадаются преимущественно посредством бета-минус распада.

Радиоактивная цепочка радия-226 состоит из многих радиоактивных продуктов распада радия, которые в зависимости от условий хранения (герметичность) и вида радиевых препаратов (жидкие или твердые) присутствуют в равновесном или неравновесном с радием количествах. Если препарат радия-226 находится в герметично закрытом сосуде (ампуле), то короткоживущие γ-излучающие продукты распада через один месяц приходят в равновесие с радием. Равновесное состояние 226 Ra со всеми продуктами распада достигается примерно через 140 лет.

Препараты солей радия испускают нейтроны, образующиеся в результате реакции (α, n), протекающей на ядрах анионов легких элементов при бомбардировке их α-частицами радия и его дочерних продуктов. Так, RaBr 2 испускает 4—8, RaSO 4 11—21 и RaCl 2 65—120 н/сек-мг. Препараты радия испускают также образующиеся в результате взаимодействия γ-излучения со стенками ампул по реакции (γ, n) фотонейтроны. Энергия этих нейтронов меньше, чем нейтронов реакции (α, n).

Радон / Radon (Rn)

Атомный номер 86

Внешний вид: прозрачный бесцветный слегка флюоресцирующий газ

Атомная масса (молярная масса) 222,0176 а.е.м. (г/моль)

Радиус атома 214 пм

Плотность (газ, при 0°C) 9,81 мг/см 3 ; (жидк., при -62°C) 4,4 г/см³

Удельная теплоёмкость 20,79 Дж/(K·моль)

Теплопроводность (газ, при 0°C) 0,0036 Вт/(м·K)

Температура плавления 202 K

Теплота плавления 2,7 кДж/моль

Температура кипения 211,4 K

Теплота испарения 18,1 кДж/моль

Физические и химические свойства

При комнатной температуре радон – газ, состоящий из одноатомных молекул. Спектр радона аналогичен спектру ксенона и др. элементов нулевой группы. При нормальных условиях плотность газа радона 9,73 кг/м 3 , жидкого 4,4 г/см 3 (при – 62°С), твёрдого 4 г/см 3 . На холодных поверхностях радон легко конденсируется в бесцветную фосфоресцирующую жидкость. Твёрдый радон светится бриллиантово-голубым цветом. Радон мало растворим в воде, хотя несколько лучше, чем другие благородные газы. Растворимость радона в 100 г воды 51,0 мл (0°С) – в 1 объёме воды растворяется 0,507 объемов радона и 13,0 мл (50°С). В жировой ткани человека растворимость радона в десятки раз выше, чем в воде. Хорошо растворяется в органических жидкостях. Растворимость радона в спиртах и жирных кислотах возрастает с увеличением их молекулярных весов. Газ хорошо просачивается сквозь полимерные плёнки. Легко адсорбируется активированным углем и силикагелем.

Получение и аналитическое определение

Радон получают обычно из солей радия. В равновесии с 1 г радия-226 находится 0,66 мм 3 радона-222. Образующаяся при этом газовая смесь (в которой радон составляет 1:500000) содержит также гелий, гремучую смесь (продукт действия радиоактивного препарата на воду), пары воды, СО 2 и углеводороды (продукты разложения вакуумной смазки).

Попытки выделения радона из неорганических солей радия показали, что даже при температуре, близкой к температуре плавления, радон из них полностью не извлекается. Высокой эманирующей способностью обладают соли органических кислот (пальмитиновой, стеариновой, капроновой), а также гидроксиды тяжелых металлов. Для приготовления высокоэманирующего источника соединение радия, как правило, соосаждается с бариевыми солями указанных органических кислот или гидроксидами железа и тория. Эффективным является также выделение радона из водных растворов солей радия. Обычно растворы радия оставляют на некоторое время в ампуле для накопления радона; через определенные промежутки времени радон откачивают. Выделение радона после очистки, как правило, осуществляется физическими методами, например, адсорбцией активированным углем с последующей десорбцией при 350°С.

Техника получения и дальнейшей очистки радона должна включать строгие меры предосторожности, исключающие утечку газа: несмотря на свою химическую инертность, радон является одним из наиболее токсичных и опасных ядов, что обусловлено его радиоактивными свойствами. Для получения радона через водный раствор любой соли радия продувают воздух, который уносит с собой образующийся при радиоактивном распаде радия радон. Далее воздух тщательно фильтруют для отделения микрокапель раствора, содержащего соль радия, которые могут быть захвачены током воздуха. Радон извлекают сорбированием на пористых телах или химическими методами. Радон получают также кипячением или откачиванием растворов солей радия, в которых элемент накапливается в результате распада радия.

Методы очистки радона от примесей основаны на его химической инертности. Кислород и большая часть водорода удаляются из газовой смеси пропусканием её над медью или окиси меди при повышенной температуре. Пары органических веществ окисляются при прохождении газов над нагретым бихроматом свинца, а пары воды поглощаются фосфорным ангидридом. СО 2 и пары кислот удаляются щёлочью, после чего радон замораживается жидким азотом, а гелий и водород откачиваются. Удобный метод очистки радона основан на связывании примесей барием. Он заключается в следующем: в откачанный колокол вводится газовая смесь, содержащая радон; в колоколе между электродами находится 0,5 г металлического бария. После введения радона в колокол барий нагревают до его испарения. При этом вода, СО 2 и некоторые другие примеси связываются барием, а радон вымораживается в ловушке, охлаждаемой жидким азотом. Очищенный радон собирается либо в капилляре, либо на охлаждённых металлических поверхностях.

Помимо физических методов улавливания радона (адсорбционные, криогенные и др.), эффективное выделение радона из газовой смеси может быть достигнуто путем превращения его под действием окислителей в нелетучую химическую форму.

Выделение искусственно получаемых изотопов радона, в основном 211 Rn (Т = 14 ч), связано с отделением его от материала мишени — тория и сложной смеси продуктов реакций глубокого отщепления.

Определение изотопов радона, находящихся в естественных радиоактивных рядах, производится с большой чувствительностью по α-излучению, испускаемому ими самими и их короткоживущими продуктами радиоактивного распада. Приборы для измерения изотопов радона называются эманометрами Применение специальных камер для определения ионизации, вызываемой измеряемым радиоактивным газом, даёт возможность наиболее полно использовать его α-излучение. Ионизационная камера с определяемым радоном для измерения его радиоактивности присоединяется к высокочувствительному электрометру. Радиоактивность короткоживущих изотопов радона (торон, актинон) измеряют при непрерывном продувании воздуха через источник эманации и ионизационную камеру. Наиболее перспективным методом измерения малых количеств радона является α-сцинтилляционный метод.

Применение

В лечебных целях при различных, преимущественно хронических, заболеваниях применяют радоновые ванны, а также орошение и ингаляции, терапевтический эффект которых связан с радиационным воздействием всосавшегося радона и продуктов его распада. Нижний предел концентрации радона для отнесения вод к радоновым — 185-370 Бк/л. В отечественной бальнеотерапии по концентрации радона выделяют следующие разновидности радоновых вод: очень слаборадоновые (185-740 Бк/л), слаборадоновые (744-1480 Бк/л), радоновые средней концентрации (1481-2960 Бк/л), высокорадоновые (2961-4440 Бк/л), очень высокорадоновые (более 4450 Бк/л). Радонотерапия (разновидность альфа-терапии) — один из видов лучевой терапии с использованием очень малых доз излучения. Основным действующим фактором является α-излучение радона и его короткоживущих дочерних продуктов. При лечении радоновыми ваннами в основном облучается кожа, при питье — органы пищеварения, при ингаляциях — органы дыхания.

Радоновые ванны (т.е. ванны из воды естественных источников, содержащих радон, или воды, искусственно насыщенной радоном) издавна занимают заметное место в арсенале курортологии и физиотерапии. Растворенный в воде радон оказывает положительное воздействие на центральную нервную систему, на многие функции организма. Радоновые ванны используются при лечении ряда заболеваний, связанных с обменом веществ, при заболеваниях суставов и периферической нервной системы, сердечно-сосудистых, кожных, ревматизма, радикулита и т.д. Радоновые ванны – эффективное средство лечения многих заболеваний – сердечно-сосудистых, кожных, а также нервной системы. Иногда радоновую воду прописывают и внутрь – для воздействия на органы пищеварения. Эффективны также радоновые грязи и вдыхание обогащенного радоном воздуха.

В сельском хозяйстве радон используется для активации кормов домашних животных, в металлургии в качестве индикатора при определении скорости газовых потоков в доменных печах, газопроводах. В геологии измерение содержания радона в воздухе применяется для поиска месторождений урана и тория, а также для измерения плотности и газопроницаемости горных пород. Засасывая воздух из буровых скважин с разных горизонтов, по содержанию радона определяют свойства горных пород на больших глубинах. По эманационным аномалиям геофизики судят о содержании радиоактивных руд в различных участках земной коры. Измерение повышения концентрации радона подземных водах, находящихся близ эпицентра землетрясения, обеспечивает эффективный прогноз землетрясений.

Хорошие адсорбционные способности радона позволяют использовать его для декорирования неоднородностей поверхности материалов. Эманирование – выделение радона твердыми телами, содержащими материнский элемент, зависит от температуры, влажности и структуры телаи меняется в очень широких пределах. Отсюда большие возможности эманационного метода исследования твердых веществ и твёрдофазных превращений в промышленности и науке. Эманационный метод основан на измерении зависимости скорости выделения радона от физических и химических превращений, происходящих при нагревании твердых веществ, содержащих радий. Радон используется как зонд в диффузионно-структурном анализе, используемом для дефектоскопии конструкционных материалов. Радоновыми индикаторами испытывают противогазы на герметичность. Радон помогает следить за ходом технологических процессов в производстве таких несходных материалов, как сталь и стекло. Радон применяется также при изучении диффузии и явлений переноса в твердых телах, при исследовании скорости движения и обнаружения утечек газов в трубопроводах.

Радон в окружающей среде

Радон вносит основной вклад в естественную радиоактивность атмосферного воздуха и уровни облучения окружающей среды и человека за счет естественных источников радиации. Природный радон, образующийся в радиоактивных рудах, постоянно поступает в гидросферу и атмосферу. Среднее объемное содержание в атмосфере 6*10 -18 %.

Радон встречается во многих материалах, откуда он может частично диффундировать в окружающую среду. Наибольшее содержание 222 Rn и 220 Тn наблюдается в приземном слое атмосферы. С увеличением высоты оно уменьшается.

Концентрация радона в почвенном воздухе колеблется от 2,6 до 44,4 Бк/л. В нижних слоях почвы содержание элемента заметно возрастает.

Выделение радона из почвы уменьшается при наличии снежного покрова, повышении атмосферного давления и во время ливневых дождей. В суточных изменениях скорости эманирования, отличающейся по величине в два раза, максимум приходится на ночное время, минимум — на полуденное. Растворимость радона в воде представляет обратную функцию температуры. Чем выше температура окружающей среды, тем меньше радона в воде и наоборот.

К локальным источникам поступления 222 Rn в атмосферу можно также отнести геотермальные энергетические станции, добычу фосфатов, вулканическую активность. Концентрация радона в помещениях в 4—6 раз выше, чем в атмосферном воздухе. Основная часть радона в помещениях накапливается из строительных материалов.

Радиоактивность подвального воздуха в 8—25 раз выше радиоактивности атмосферного воздуха. Радон может распространяться на большие расстояния от мест своего образования и накапливаться в атмосфере зданий.

Радон тяжелее воздуха и поэтому скапливается в подвальных помещениях, на нижних этажах зданий, в шахтах и т. п. Присутствует в воздухе зданий, выполненных из любых строительных материалов (в деревянных — в меньшей, в кирпичных и особенно бетонных — в большей степени). В настоящее время во многих странах проводят экологический мониторинг концентрации радона в домах, так как в районах геологических разломов его концентрация иногда превышает допустимые нормы.

Санитарно-гигиенические аспекты

Радон сильно токсичен, что связано с его радиоактивными свойствами. При распаде радона образуются нелетучие радиоактивные продукты (изотопы Po, Bi и Рb), которые сбольшим трудом выводятся из организма. Поэтому при работе с радоном необходимо использовать герметичные боксы и соблюдать меры предосторожности.

Главный источник поступления в организм человека эманации и короткоживущих продуктов их распада — воздух (особенно воздух предприятий, где добывают и перерабатывают радиоактивные руды); второстепенные источники — питьевая вода, распад изотопов радия, инкорпорированного в скелете, радоновые процедуры, применяемые в медицинских учреждениях. Основной путь их проникновения в организм — органы дыхания, но в зависимости от обстановки (например, при питье радоновой воды), эту роль может выполнять ЖКТ и очень редко — при приеме радоновых ванн — кожа.

Изотопы радона — инертные газы, и поэтому распределение их в организме существенно отличается от поведения их продуктов распада. Радон легко растворяется в крови, воде и других жидкостях организма, значительно лучше растворяется в жирах, что обуславливает эффективное поглощение его жировыми тканями при поступлении в организм.

Среди радиоактивных ядов радон – один из самых опасных. Попадая в организм человека, радон способствует процессам, приводящим к раку лёгких. Распад ядер радона и его дочерних изотопов в легочной ткани вызывает микроожог, поскольку вся энергия альфа-частиц поглощается практически в точке распада. Особенно опасно (повышает риск заболевания) сочетание воздействия радона и курения. Радионуклиды радона обусловливают более половины всей дозы радиации, которую в среднем получает организм человека от природных и техногенных радионуклидов окружающей среды.

Исторически впервые рак легких был обнаружен в конце XIX века у шахтеров рудников Шнееберга и несколько позднее — Яхимова (Иоахимсталя), находившихся соответственно на территории современных Германии и Чехии. Более чем в 50 % случаев (до 60—80%) причиной их смерти был рак легких, преимущественно бронхогенного типа. Наблюдавшаяся смертность в 30—50 раз превышала ожидаемую.

Характерно, что возраст горняков на момент смерти от рака легких в большинстве случаев не превышал 50—55 лет, а заметная доля их умирала даже моложе 40 лет. Концентрация радона в рудниках колеблется в пределах 10—700 кБк/м 3 .

Широкую известность получили данные 1964 г. по «радоновому» раку легких у горняков флюоритовых рудников Ньюфаундленда, где из 750 горняков 30 человек умерло от рака легких, т. е. в 40 раз выше ожидаемого количества, причем средний возраст умерших составил 48 лет при среднем возрасте на момент смерти по этой причине мужского населения 64 года. К 1977 число умерших от рака легких горняков этой группы достигло 78 человек, минимальный латентный период при этом составлял 12 лет, средний — 23 года. На ряде урановых рудников провинции Онтарио (Канада) в группе 8,5 тыс. горняков за период 1955—1972 отмечены 42 случая смерти от рака легких, в группе 15 тыс. горняков — 81 случай, что оказалось соответственно в 3 и 2 раза выше ожидаемого количества, причем выявленные случаи заведомо составляют лишь некоторую часть от их полного числа за указанный период.

Применение фильтрующих респираторов эффективно защищает дыхательные пути от проникновения в организм дочерних продуктов распада радона. Защита в среднем составляет 84%. Правильное использование эффективного фильтра (обладающего низким сопротивлением) может обеспечить коэффициент защиты 10—20. В этих условиях облучение дочерними продуктами радона составит 10 % рассчитанного без использования защиты в виде респиратора.

Определенные типы противогазных коробок, содержащих около 900 см 3 сухого активированного угля, удаляют 96—99 % поступающего радона в течение 1 ч. Защита от радона, обеспечиваемая активируемым углем, увеличивается с понижением температуры и снижается с возрастанием скорости потока воздуха, влажности и содержания воды в угле. Уголь может быть регенерирован пропусканием через него сухого воздуха.

При работе с радоном необходимо использовать герметичные боксы и соблюдать меры радиационной безопасности. Неотложная помощь требует срочно вывести пострадавшего из загрязненной атмосферы. Свежий воздух, вдыхание карбогена. Промывание полости рта и носоглотки 2% раствором NaHCO 3 .