KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F14

Transkript

1 KEMA02 Organisk kemi grundkurs F14 Kärnkemi Kärnkemi med fkus på användbara (radi)nuklider Atkins & Jnes kap (resten kursivt) Marie Skldwska Curie ( ) 1903 Nbelpris i fysik för upptäckten av radiaktivitet (tillsammans med Henri Becquerel ch Pierre Curie) 1911 Nbelpris i kemi för upptäckten av radium ch plnium

2 Översikt Radiaktivt sönderfall Spntant sönderfall Kärnreaktiner Stabilitet hs atmkärnr Radiaktiv strålning Bilgiska effekter av strålning Mätning av radiaktivt sönderfall Användning av radiistper Radiaktivt sönderfall Kärnkemi förändringar i atmkärnan Fissin atmkärnr faller sönder till mindre fragment Fusin sammanslagning av mindre kärnr till större Radiaktiv sönderfall Atmkärnr innehåller neutrner ch prtner. Prtnerna (psitivt laddade) håller i regel ihp trts starka repulsiva krafter. I vissa kärnr överstiger repulsinen de krafter sm håller ihp kärnan ch då avges fraktiner av kärnan, man får radiaktivt sönderfall. Repetitin Istper Istper av ett ämne har samma atmnummer (Z), men lika masstal (A). Atmkärnrna hs istperna har samma antal prtner, men lika antal neutrner. OBS! En del istper är radiaktiva (instabila istper), en del är det inte (stabila istper).

3 Radikemi Peridiska systemet finns alla grundämnen? Nej! Exempel på lätta grund ämnen sm inte har några stabila istper: Tc (teknetium), Rn (radn) Källa: ~zeluffj/ peridic_table.gif (från Kärnkemi HT12 Sfi Elmrth) Radikemi Peridiska systemet finns det mer än en typ av ett givet grundämne? Ja! De flesta grundämnen finns sm lika istper. Exempel: H, C, Pt Källa: (från Kärnkemi HT12 Sfi Elmrth)

4 Några användningsmråden Några användningsmråden för istper H 2 O/H + NMR-aktivt H D 2 O saknar NMR-aktivitet H + kan studeras i D 2 O-mgivning! De lika massrna ger upphv till fingeravtrycksmönster kan användas vid masspektrmetri Reaktiner mellan metalljner ch DNA/RNA/prtein kan följas även med lite material att analysera Teknetium är instabilt (radiaktivt), utnyttjas vid radidiagnstik (röntgen) samt behandling Ligander kan utnyttjas för riktad vävnadinteraktin 17.1 Radiaktivt sönderfall Radiaktivt sönderfall en prcess där en instabil kärna förlrar energi genm att avge jniserande strålning Alfapartiklar Heliumkärna 4 2He 2+ Masstal, A stppas av tunt papper, hud Atmnummer, Z Betapartiklar elektrn 0 1e stppas av tunn metallflie Gammastrålning högenergetisk elektrmagnetisk strålning stppas av tjckt lager bly

5 17.2 Kärnreaktiner Radiaktivt sönderfall 17.2 Kärnreaktiner Radiaktivt sönderfall

6 17.2 Kärnreaktiner Radiaktivt sönderfall Då α- eller β-partiklar avges bildas en kärna med annat antal prtner, dvs ett annat grundämne. Sådan prdukter kallas dtterkärnr. För ämnen med högre atmnummer än bly, är den slutliga sönderfallsprdukten vanligen någn istp av bly. Exempel 17.1 Löses på tavlan Vilken nuklid bildas vid: a. α-sönderfall av plnium-211? b. β-sönderfall av natrium-24? 17.2 Kärnreaktiner Exempel 17.1 Svar: a P Pb α b Na Mg+ 0 1 β

7 17.3 Nukleär stabilitet ch 17.4 Sönderfall Stabilitet Kärnr med jämna antal prtner ch neutrner är mest stabila. Kärnr sm är uppbyggda av vissa antal nuklener har tendens att vara stabila. Dessa s k magiska tal är: 2, 8, 50, 82, 114, 126 ch 184 Exempel: tenn (Z=50) har 10 stabila istper, bly (82 prtner, 126 neutrner) är fta slutprdukten för sönderfall av aktinider. Kärnr sm sönderfaller stegvis ger upphv till en radiaktiv serie, en karaktäristisk serie av nuklider Bilgiska effekter α-partiklar Hindras av papper ch hud, men kan vara extremt farliga vid inandning ch förtäring. Exempel: Plutnium xideras lätt till Pu 4+ sm har liknande egenskaper sm Fe 3+. Lagras i ben, ch förstör krppens förmåga att bilda röda bldkrppar. Ger strålsjuka, cancer, död. β-partiklar Kan tränga in ca 1 cm i krppen. γ-strålning Kan tränga långt in i krppen. Jniserar mlekyler på vägen kan förstöra DNA ch prteiner vilket medför strålsjuka ch cancer.

8 17.7 Mätning av radiaktivt sönderfall Radiaktivt sönderfall följer första rdningens kinetik v = kn k kallas sönderfallsknstant Integrerad sönderfallsekvatin N = N 0 e kt lnn = lnn 0 kt Halveringstid t 12 = ln2 k 17.7 Mätning av radiaktivt sönderfall Geigermätare används för att mäta radiaktivitet Bilden visar en Geigermätare med en bit uranmineral. Detektrn i en Geigermätare innehåller gas (fta argn med lite etanlånga eller nen med lite Br 2 (g)) i en cylinder med en hög ptentialskillnad ( V) mellan den centrala tråden ch väggarna. När strålningen jniserar gasen gör jnerna att en krtvarig ström flyter, detta ger det karaktäristiska klickandet.

9 17.7 Mätning av radiaktivt sönderfall Halveringstider Kl-14 Kan användas för datering av gammalt rganiskt material. Strntium-90 Finns i nerfall efter kärnvapensprängningar (sm fint damm) ch avsiktligt utsläpp av radiaktiva ämnen. Är kemiskt mycket likt Ca, kan bl a inkrpreras i ben Mätning av radiaktivt sönderfall Exempel 17.3 Räknas på tavlan Ett prv av tritium med massan 1,00 gram lagras. Vilken massa av istpen finns kvar efter 5,0 år? Sönderfallsknstanten för tritium är 0,0564 a 1?

10 17.7 Mätning av radiaktivt sönderfall Exempel 17.3 Svar: 0,75 g 17.7 Mätning av radiaktivt sönderfall Radiklmetden, C14-metden Man mäter β-sönderfallet av kl-14. Kl-14 bildas i atmsfären med ungefär knstant hastighet, ch prprtinerna 12 C- ch 14 C-atmer kan ses sm knstant. Kl-14 kmmer in i levande rganismer sm 14 CO 2 genm ftsyntes ch förtäring. Avges genm nrmal exkretin ch respiratin. Dvs alla levande rganismer har ett fixt förhållande mellan 14 C ch 12 C (ca 1:10 12 ). När rganismen dör upphör utbytet av 14 C med mgivningen. MEN! 14 C frtsätter att sönderfalla med knstant halveringstid förhållandet 14 C: 12 C förändras. Man kan alltså genm att mäta β-sönderfallet avgöra för hur länge sedan rganismen dg. Källa:

11 17.7 Mätning av radiaktivt sönderfall Exempel 17.4 Räknas på tavlan Ett klprv (från träd), 1,00 g, från en arkelgisk utgrävning i Arizna genmgick 7, C-sönderfall inm en tidsrymd på 20,0 timmar. Under samma tid genmgick ett 1,00 g klprv från nutida källa 1, sönderfall. Beräkna åldern på det arkelgiska prvet m halveringstiden för 14 C är 5,73 ka Mätning av radiaktivt sönderfall Exempel 17.4 Svar: ca 7000 år

12 17.8 Användning av radiistper Istpdatering t ex kl-14-metden Medicinska applikatiner t ex PET-scanning (PET: psitrn emissin tmgraphy) 18F-FDG Flurdexyglucse ( 18 F) Maximum Intensity Prjectin (MIP) f a whlebdy psitrn emissin tmgraphy (PET) acquisitin f a 79 kg (170 lb) weighting female after intravenus injectin f 371 MBq f 18 F-FDG (ne hur prir measurement). The investigatin has been perfrmed as part f a tumr diagnsis prir t applying a raditherapy (tumr staging step). Besides nrmal accumulatin f the tracer in the heart, bladder, kidneys and brain, liver metastases f a clrectal tumr are clearly visible within the abdminal regin f the image Användning av radiistper Radiaktiv märkning t ex för att undersöka reaktinsmekanismer 6 CO 2 (g) + 6H 2 18 O (l) C 6 H 12 O 6 (s, gluks) O 2 (g) ftsyntes eller hur gödningsämnen (radiaktivt märkt, N, P, K) tas upp av växter ch hur ämnena sedan passerar ut i miljön Fertilizer use respnsible fr increase in nitrus xide in atmsphere Källa: The Cape Grim Baseline Air Pllutin Statin in Tasmania, where air samples have been cllected since These samples shw a lng-term trend in istpic cmpsitin that cnfirms that nitrgen-based fertilizer is largely respnsible fr the 20 percent increase in atmspheric nitrus xide since the Industrial Revlutin. Pht curtesy f CSIRO.