Радон. 
Фундаментальная радиохимия

Радон {radon) Rn — элемент 18-й группы 6-го периода периодической системы элементов, Z = 86, атомная масса 222,0176. Радон — самый тяжелый элемент нулевой (VIILA) группы периодической системы.

В 1899 г. М. Кюри обнаружила, что воздух, в контакте с которым находятся соединения радия, становится радиоактивным. Впервые изотоп эманации — торон, т. е. ²²⁰Rn (Tn) — открыли Э. Резерфорд и Р. Б. Оуэнс в 1899 г. В 1900 г. Ф. Дорн (и независимо почти одновременно А. Дебьерн) открыл основной изотоп радона ²²²Rn (Rn), т. е. радон. В 1903 г. А. Дебьерн открыл ²¹⁹Rn (An), т. е. актинон. В 1908 г. Р. У. Рамзай, Ф. Содди и В. Грей выделили радон в чистом виде. В 1923 г. 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 — редкий элемент. Содержание его в земной коре глубиной до 1,6 км составляет ориентировочно 115 т. В 1 м³ воздуха при нормальных условиях содержится 7 10 ⁶ г Rn. Средняя концентрация радона в атмосфере 6 -10 ¹⁷ мас.%, равновесное содержание в земной коре 7−10 ^{, 6}% по массе, в морской воде — до 0,001 пКи/л.

В настоящее время известно 34 изотопа радона. Самый легкий изотоп ¹⁹⁵Rn (Г₁₂ = 6 мс), самый тяжелый — ²²⁹Rn (12 с), 5 ядерных изомеров, самый долгоживущий — ²²²Rn (Г, ₂ = = 3,8235 дня). Природные изотопы радона: ²²²Rn, ²²⁰Rn и ²¹⁹Rn. В одну из побочных ветвей (коэффициент ветвления 2−10 ⁷) семейства U-Ra входит также очень короткоживущий (Г_½ = = 35 мс) ²¹⁸Rn. Распадаясь с испусканием а-частиц, все эти нуклиды образуют изотопы полония. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (барн) для ²²²Rn — 0,72 и ²²⁰Rn — 0,2.

Радон-219 (актинон) Ап — эманация актиния — член радиоактивного семейства ²³⁵U (ряд актиния), материнские нуклиды: ²¹⁹At (р~, 3%, Г_½ = 31,1 м) и ²²³Ra (а, Т_{/2 = 11,43 дня), Г_½ = 3,96 с, продукт распада ²¹⁵Ро (Г_½ = 1,781 мс), энергия распада 6,9461 МэВ.

Радон-220 (торон) Тп — эманация тория — член радиоактивного семейства ²³²Th (ряд тория), материнский изотоп ²²⁴Ra (а, Г_½ = 3,66 дней), Г_½ = 55,6 с, продукт распада ²¹⁶Ро (Т_{/2 = 145 мс), энергия распада 6,40 467 МэВ.

Радон-222 (радон) Rn — эманация радия — член радиоактивного семейства ²³⁸U (ряд урана-радия), материнский изотоп ²²⁶Ra (a, T_l/2 = 3,8235 дня), продукт распада ^2|КРо (Г, ,₂ = = 3,10 м), энергия распада 5,5903 МэВ.

Радиоактивная цепочка ²²⁶Ra 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 ^22hRa находится в герметично закрытом сосуде (ампуле), то короткоживущие у-излучающие продукты распада через один месяц приходят в равновесие с радием. Равновесное состояние ²²⁶Ra со всеми продуктами распада достигается через 140 лет.

Препараты солей радия испускают нейтроны, образующиеся в результате реакции (а, п), протекающей на ядрах анионов легких элементов при бомбардировке их а-частицами радия и его дочерних продуктов. Так, RaBr₂ испускает 4—8, RaSO, 11—21 и RaCl₂ 65—120 н/(с-мг). Препараты радия испускают также образующиеся в результате взаимодействия у-излучения со стенками ампул по реакции (у, п) фотонейтроны. Энергия этих нейтронов меньше, чем нейтронов реакции (а, /?). Сечение захвата тепловых нейтронов для реакции ^22SRa (n, y)²²⁷Ra составляет 23 барна. Сечение деления ²²⁽ⁱRa нейтронами с энергией 2—23 МэВ лежит в пределах ст = 0,5—37 мбарн. Сечения реакций ²²⁶Ra(п, 2п) и ^22<'Ra (w, 3п) под действием нейтронов с энергией 14,5 МэВ равны 1,60 и 0,63 барн соответственно. Период полураспада по спонтанному делению ²²⁶Ra составляет не менее 10^й л, что соответствует 0,6 акта деления на 1 г ²²⁽ⁱRa в 1 с.

Радон — бесцветный слегка флуоресцирующий газ, состоящий из одноатомных молекул. Спектр радона аналогичен спектру ксенона и других элементов нулевой группы.

Радиус атома 0,214 нм, энергия ионизации (первый электрон) 1036,5 кДж/моль (10,74 эВ), электронная конфигурация [Xe]4/^H56/¹⁰6s²6p⁶, ковалентный радиус 0,14 нм. Степени окисления +2, +4, +6, +8. Удельная теплоемкость 20,79 ДжДК моль), теплопроводность (газ, при 0°С) 0,0036 ВтДК-моль), теплопроводность, Т_нл = -71,15°С, теплота плавления 2,7 кДж/моль, теплота испарения 181,1 кДж/моль, Г_кип = -61,85°С, критическая структура кубическая гранецентрпрованная. При нормальных условиях плотность газа радона 9,73, жидкого — 4,4 (при -62°С), твердого — 4 г/см³, критическая температура 104,35°С при критическом давлении 6,3 МПа, тройная точка соответствует -7ГС и давлению 0,07 МПа. Удельная теплота испарения 73,9 кДжДкг • К), теплоемкость С_р = 90 ДжДкгК) при 25 °C.

На холодных поверхностях радон легко конденсируется в бесцветную фосфоресцирующую жидкость. Твердый радон светится бриллиантово-голубым цветом. Радон малорастворим в воде, хотя несколько лучше, чем другие благородные газы. Растворимость радона в 100 г воды 51,0 мл (0°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 е увеличением их молекулярных весов. Газ хорошо просачивается сквозь полимерные пленки. Легко адсорбируется активированным углем и силикагелем.

Радон химически инертен, непосредственно реагирует только с F₂. RnF₂ образуется как при непосредственном взаимодействии газообразных радона и фтора при 400 °C, так и при окислении его дифторидом криптона, дии тетрафторидами ксенона и некоторыми другими окислителями. Дифторид радона устойчив до 200 °C и восстанавливается до элементарного радона водородом при 500 °C и давлении Н₂ 20 МПа. Идентификация RnF₂ осуществлена путем изучения его сокристаллизации с фторидами и другими производными ксенона. С фтором радон при высоких температурах образует соединения состава RnF_H, где п = 4, 6, 2. Так, дифторид радона RnF₂ является белым нелетучим кристаллическим веществом (сублимируется при 250°С). Фториды восстанавливаются водородом при 500 °C, давая элементарный радон. При гидролизе тетрафторида RnF, и гексафторида RnF_fi образуется оксид радона Rn0₃. Получены также соединения с катионом RnF. Подтверждением образования соединений радона в высших валентных состояниях является сокристаллизация ксенатов и радонатов бария.

Полагают, что ион [RnF]' образуется по реакции:

Радон дает молекулярные соединения определенного состава, в образовании которых значительную роль играют силы Ван-дер-Ваальса. Эти соединения отвечают формулам Rii-2C₆H₅OH, Rn • 2СН₃С₆Н₆— 6Н., 0. Из них первые два изоморфны аналогичным соединениям сероводорода. Радон получают обычно из солей радия. В равновесии с 1 г ²²⁶Ra при 0 °C и 760 мм рт. ст. находится 0,66 мм^3 222Rn. Образующаяся при этом газовая смесь (в которой радон составляет 1: 500 000) содержит также гелий, гремучую смесь (продукт действия радиоактивного препарата на воду), пары воды, С0₂ и углеводороды (продукты разложения вакуумной смазки).

Радон извлекают 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 осуществляется физическими методами, например адсорбцией активированным углем с последующей десорбцией при 350 °C.

Техника получения и дальнейшей очистки радона должна включать строгие меры предосторожности, исключающие утечку газа: радон является одним из наиболее токсичных и опасных ядов. 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 водород удаляются из газовой смеси пропусканием ее над медью или окисью меди при повышенной температуре. Пары органических веществ окисляются при прохождении газов над нагретым бихроматом свинца, а пары воды поглощаются фосфорным ангидридом. С0₂ и пары кислот удаляются щелочью, после чего радон замораживается жидким азотом, а гелий и водород откачиваются. Удобный метод очистки радона основан на связывании примесей барием.

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 полностью (количественно) может быть поглощен солями состава ClF₂SbF_G, BrF₂SbF₍., O_vSbF₆ и некоторыми жидкими фторгалоидами в результате образования нелетучих солей состава RnF⁺X", где X — сложный анион.

Определение изотопов радона, находящихся в естественных радиоактивных рядах, производится с большой чувствительностью по a-излучению, испускаемому ими самими и их короткоживущими продуктами радиоактивного распада. Приборы для измерения изотопов радона называются эманометрами. Применение специальных камер, внутренняя поверхность которых покрыта слоем сцинтиллятора, дает возможность наиболее полно использовать его а-излучение. Радиоактивность короткоживущих изотопов радона (торон, актинон) измеряют при непрерывном продувании воздуха через источник эманации и сцинтилляционный детектор внутреннего наполнения. При концентрациях радона в воздухе значительно ниже предельно допустимых определение его целесообразно проводить после предварительного концентрирования путем химического связывания подходящими окислителями. Удобным методом определения радона в воде является экстракция его толуолом с последующим измерением активности толуольного раствора с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика.

В лечебных целях применяют радоновые ванны, а также орошение и ингаляции. 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, заболеваниях суставов и периферической нервной системы, сердечно-сосудистых, кожных заболеваниях, ревматизме, радикулите и др.

В сельском хозяйстве радон применяется для активации кормов домашних животных, в металлургии — в качестве индикатора при определении скорости газовых потоков в доменных печах, газопроводах. В геологии радоновой съемкой осуществляют поиск месторождений урана и тория, путем измерения радонопроницаемости определяют плотность горных пород. Засасывая воздух из буровых скважин с разных горизонтов, по содержанию радона определяют свойства горных пород на больших глубинах. Измерение повышения концентрации радона в 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 тела и меняется в очень широких пределах. Отсюда большие возможности эманационного метода исследования твердых веществ и твердофазных превращений, происходящих при термических, механических, химических и радиационных воздействиях на изучаемый материал. Радоном испытывают противогазы на герметичность. Он применяется при изучении диффузии и явлений переноса в твердых телах, при исследовании скорости движения и обнаружения утечек газов в трубопроводах.

Радон относится к элементам с наивысшей токсичностью (группа, А токсичности). Продукты распада радона (изотопы Ро, Bi, Т1 и РЬ) с большим 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; 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 редко — при приеме радоновых ванн — кожа. Суточное поступление с пищей продуктов распада радона колеблется от 0,22 Бк для жителей юга России до 1,48 Бк для оленеводов Крайнего Севера.

Изотопы радона — инертные газы, и поэтому распределение 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 обусловливает эффективное поглощение его жировыми тканями при поступлении в организм. Концентрация изотопов радона в крови после достижения стационарного состояния (через 1 ч после начала ингаляции для ²²²Rn и 5 мин для ²²⁰Rn) определяется их содержанием в воздухе и не зависит от времени экспозиции, составляя для ²²²Rn приблизительно 30% концентрации во вдыхаемом воздухе.

При ингаляции радон распределяется сравнительно равномерно во всем теле, за исключением жира, надпочечников и костей. Доза радона составляет 1% дозы, создаваемой дочерними продуктами его распада. При питье воды преимущественное накопление радона происходит в ЖКТ, жировой ткани и мозге. В первые 10 мин после введения наблюдается резкое увеличение содержания радиоактивности во всех органах и тканях, при этом основная часть ее быстро выделяется из организма с выдыхаемым воздухом. Через 3 ч в большинстве органов и тканей остаются лишь следы радона и продуктов его распада. Радон может проникать в организм и через неповрежденную кожу. Выведение радона из организма осуществляется через легкие (90% общего количества при ингаляции, 60% — после купания), а также через кожу (около 40% после купания) и отчасти с мочой (0,25%). Около 90% радона выделяется из организма человека за 1 ч, полностью за 7 ч. Т₍₎ ²²⁰Rn (торона) из крови составляет 4,5 мин, поэтому почти весь он распадается прежде, чем вновь попадает в легкие. Концентрация ²²⁰Rn в воздухе легких из-за небольшого Т_С) никогда не достигает его концентрации в атмосфере.

Попадая в организм человека, радон способствует процессам, приводящим к раку легких. Распад ядер радона и его дочерних изотопов в легких вызывает микроожог, поскольку вся энергия а-частиц поглощается практически в точке распада. Особенно опасно 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.

Для работников категории Л значения ПДП и ДК_Л ²¹⁹Ат, ²²⁰Th и ²²²Rn (без продуктов их распада) равны 146 МБк/год и 55,5 Бк/л соответственно; для короткоживущих продуктов распада этих радионуклидов при любом сдвиге равновесия ПДП = 0,22 МБк/год, ДК_Л = 0,0877 Бк/л.

Годовой предел эффективной эквивалентной дозы для работающих составляет 0,05 Зв. Применение фильтрующих респираторов эффективно защищает дыхательные пути от проникновения в организм дочерних продуктов распада радона. Противогазовые коробки, содержащие 900 см³ сухого активированного угля, поглощают 96% поступающего радона в течение 1 ч. Защита от радона, обеспечиваемая активированным углем, увеличивается с понижением температуры и снижается с возрастанием скорости потока воздуха, влажности и содержания воды в угле.

При работе с радоном необходимо использовать герметичные боксы и соблюдать меры радиационной безопасности. Неотложная помощь состоит в срочном выводе пострадавшего из загрязненной атмосферы на свежий воздух, вдыхании карбогена, промывании полости рта и носоглотки 2%-ным раствором NaHC0₃.