imported>Meinichselbst: Parameter fix

2025-09-18T02:40:04Z

Parameter fix

Neue Seite

Unter '''Radiolyse''' versteht man die Spaltung [[Chemische Bindung|chemischer Bindungen]] unter Einwirkung [[Ionisierende Strahlung|ionisierender Strahlung]], wobei hauptsächlich [[Radikale (Chemie)|Radikale]] oder [[Ion]]en entstehen. Meist wird mit dem Begriff die Radiolyse von [[Wasser]] angesprochen.

Die [[Bezeichnung]] setzt sich aus den Teilen „Radio“ [von <abbr title="lateinisch">lat.</abbr> ''radius'' „Strahl“] und „Lyse“ [von <abbr title="griechisch">griech.</abbr> λύειν ''(lýein)'' „(auf)lösen; trennen“, λύσις ''(lýsis)'' „das (Auf)lösen“] zusammen.

== Radiolyse von Wasser ==
=== Strahlenchemie ===
Die Radiolyse von Wasser läuft in mehreren Schritten ab, die im Folgenden aufgeführt werden.<ref name="Choppin2001_175_179">{{Literatur|Autor=Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg|Titel=Radiochemistry and Nuclear Chemistry|Auflage=3.|Verlag=Butterworth-Heinemann|Jahr=2001|Seiten=175–179|ISBN=978-0750674638}}</ref><ref name="Lieser1991_366">{{Literatur | Autor=[[Karl Heinrich Lieser]] | Titel=Einführung in die Kernchemie | Auflage=3. | Verlag=VCH | Ort=Weinheim | Jahr=1991 | Seiten=366 | ISBN=3-527-28329-3}}</ref>

Durch ionisierende Strahlung (z. B. [[Gammastrahlung|γ-Strahlung]]) können [[Wassermolekül]]e angeregt oder ionisiert werden:

:<math>\mathrm{H_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{H_2O}^*</math>

:<math>\mathrm{H_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{H_2O}^+ \ {+} \ \mathrm{e}^ -</math>

Das H2O+-Ion reagiert sehr schnell (innerhalb 10−14 [[Sekunde|s]]) mit Wasser:

:<math>\mathrm{H_2O}^+ \ {+} \ \mathrm{H_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ {\cdot}\mathrm{OH} \ {+} \ \mathrm{H_3O}^+</math>

Die angeregten Wassermoleküle [[Dissoziation (Chemie)|dissoziieren]] innerhalb 10−14−10−13 s zu Radikalen:

:<math>\mathrm{H_2O}^* \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H}{\cdot} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH}</math>

:<math>\mathrm{H_2O}^* \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2} \ {+} \ \mathrm{O}{\cdot}</math>

Sofern sie genügend Energie besitzen, können die bei der Ionisation von Wassermolekülen freigewordenen [[Elektron|Elektronen]] weitere Wassermoleküle anregen oder ionisieren. Nachdem sie ihre Energie weitgehend verloren haben, werden sie zunächst [[Solvatisiertes Elektron|solvatisiert]]. Dieser Vorgang läuft innerhalb von 10−12 s ab.

Weitere [[Folgereaktion]]en sind:

:<math>2 \; \mathrm{e_{aq}^-} \ {+} \ 2 \; \mathrm{H_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2} \ {+} \ 2 \; \mathrm{OH}^-</math>

:<math>\mathrm{e_{aq}^-} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{OH}^-</math>

:<math>\mathrm{e_{aq}^-} \ {+} \ \mathrm{H_3O}^+ \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H}{\cdot} \ {+} \ \mathrm{H_2O}</math>

:<math>\mathrm{e_{aq}^-} \ {+} \ \mathrm{H}{\cdot} \ {+} \ \mathrm{H_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2} \ {+} \ \mathrm{OH}^-</math>

:<math>2 \; \mathrm{H}{\cdot} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2}</math>

:<math>2 \; {\cdot}\mathrm{OH} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2O_2}</math>

Wegen der Vielzahl der konkurrierenden Reaktionen hängen die [[Ausbeute (Chemie)|Ausbeuten]] der einzelnen [[Produkt (Chemie)|Produkte]] stark von den Reaktionsbedingungen ab. Typische Werte für reines flüssiges Wasser bei der Bestrahlung mit [[Gammastrahlung|γ-]] oder [[Betastrahlung|β−]]-Strahlung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

{| class="wikitable"
|+ Produktausbeute bei der Bestrahlung von reinem flüssigen Wasser mit γ- oder β−-Strahlung<ref name="Choppin2001_176">{{Literatur|Autor=Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg|Titel=Radiochemistry and Nuclear Chemistry|Auflage=3.|Verlag=Butterworth-Heinemann|Jahr=2001|Seiten=176|ISBN=978-0750674638}}</ref>
|-
! Produkt !! [[G-Wert (Radiologie)|''G'']] in µmol/J
|-
| [[Wasserstoff|<math>\mathrm{H_2}</math>]] || 0,047
|-
| [[Wasserstoffperoxid|<math>\mathrm{H_2O_2}</math>]] || 0,073
|-
| [[Solvatisiertes Elektron|<math>\mathrm{e_{aq}^-}</math>]] || 0,28
|-
| <math>\mathrm{H}{\cdot}</math> || 0,062
|-
| [[Hydroxyl-Radikal|<math>{\cdot}\mathrm{OH}</math>]] || 0,28
|}

Aus den Werten ergibt sich beispielsweise, dass bei der Bestrahlung von 1 [[Liter|l]] Wasser ([[Masse (Physik)|Masse ''m'']] = 1 [[Kilogramm|kg]]) mit einer [[Energiedosis|Dosis]] von [[Energiedosis|''D'']] = 1 [[Gray|Gy]] = 1 [[Joule|J]]/[[Kilogramm|kg]] eine [[Wasserstoff]]-[[Stoffmenge]] von [[Stoffmenge|''n'']] = 0,047 [[Mol|µmol]] entsteht:

:<math>n(\mathrm{H_2}) = m \cdot D \cdot G(\mathrm{H_2}) = 1 \; \mathrm{kg} \cdot 1 \; \mathrm{J/kg} \cdot 0{,}047 \; \mathrm{\mu mol/J} = 0{,}047 \; \mathrm{\mu mol}</math>

Molekularer [[Sauerstoff|Sauerstoff (O2)]] ist kein primäres Produkt der Radiolyse; er entsteht allerdings durch die folgenden Reaktionen:

:<math>\mathrm{H_2O_2} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{HO_2}{\cdot} \ {+} \ \mathrm{H_2O}</math>

:<math>\mathrm{HO_2}{\cdot} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2O} \ {+} \ \mathrm{O_2}</math>

:<math>2 \; \mathrm{HO_2}{\cdot} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2O_2} \ {+} \ \mathrm{O_2}</math>

:<math>\mathrm{H_2O_2} \ {+} \ \mathrm{HO_2}{\cdot} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2O} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH} \ {+} \ \mathrm{O_2}</math>

Darüber hinaus treten auch Rückreaktionen der Radiolyseprodukte auf, sodass wieder Wasser entsteht:

:<math>\mathrm{H_2} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H}{\cdot} \ {+} \ \mathrm{H_2O}</math>

:<math>\mathrm{H}{\cdot} \ {+} \ \mathrm{H_2O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2O} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH}</math>

:<math>\mathrm{H}{\cdot} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{H_2O}</math>

:<math>\mathrm{H_3O}^+ \ {+} \ \mathrm{OH}^- \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ 2 \; \mathrm{H_2O}</math>

Daher stellt sich – sofern die Radiolyseprodukte nicht entfernt werden (z. B. als Gas entweichen) oder mit anderen Stoffen reagieren – bei kontinuierlicher Bestrahlung ein Gleichgewicht der verschiedenen Reaktionsprodukte ein.

=== Strahlenbiologie ===
Da [[Lebewesen|lebende Organismen]] zu einem großen Teil aus Wasser bestehen, beruht die [[Strahlenbiologie|biologische Strahlenwirkung]] von ionisierender Strahlung nicht nur auf direkten Strahlenwirkungen, sondern auch auf den chemischen Reaktionen der im Wasser durch Radiolyse gebildeten [[Reaktive Sauerstoffspezies|reaktiven Sauerstoffspezies]].<ref name="Vogt">{{Literatur|Autor=Hans-Gerrit Vogt, Heinrich Schultz|Titel=Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes|Auflage=6.|Verlag=Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG|Ort=München|Jahr=2011|ISBN=978-3-446-42593-4}}</ref> Diese reaktiven Moleküle können nämlich diffundieren und somit durch weitere Reaktionen die [[DNA]] der Zellen indirekt beschädigen, was wiederum zum [[Nekrose|Zelltod]] führen kann.<ref>{{cite book |last1=Hall |first1=E.J. |last2=Giaccia |first2=A.J. |title=Radiobiology for the Radiologist |date=2006 |edition=6 |language=en}}</ref> Dies wird beispielsweise bei der [[Strahlentherapie]] mit Photonen verwendet, um [[Tumor|Tumoren]] zu bekämpfen.

=== Kerntechnik ===
Die Radiolyse von Wasser findet bei allen mit Wasser moderierten oder gekühlten [[Kernreaktor]]en bereits im Normalbetrieb statt. Aus diesem Grund enthält der Frischdampf eines [[Siedewasserreaktor]]s auch sogenanntes „Radiolysegas“ ([[Wasserstoff]] und [[Sauerstoff]]). Dagegen wird beim [[Druckwasserreaktor]] dem Reaktorkühlmittel ein geringer Überschuss von Wasserstoff zudosiert, um gemäß den oben genannten Rückreaktionen die Bildung von korrosiven [[Oxidationsmittel]]n (insbesondere [[Hydroxyl-Radikal|·OH]], [[Wasserstoffperoxid|H2O2]] und [[Sauerstoff|O2]]) zurückzudrängen.<ref name="Heitmann_280_281">{{Literatur|Autor=Hans-Günter Heitmann|Titel=Praxis der Kraftwerk-Chemie|Auflage=2.|Verlag=Vulkan-Verlag|Ort=Essen|Jahr=1997|Seiten=280–281|ISBN=978-3802721793}}</ref>

Eine Ansammlung von zündfähigen Radiolysegasgemischen soll möglichst vermieden werden, um eine unter Umständen explosionsartige Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff auszuschließen.

:<math>2 \; \mathrm{H_2} \ {+} \ \mathrm{O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ 2 \; \mathrm{H_2O}</math>

Am 14. Dezember 2001 kam es allerdings im [[Kernkraftwerk Brunsbüttel]] zu einer solchen [[Knallgasreaktion|Radiolysegasreaktion]], wodurch ein etwa 2,7 [[Meter|m]] langes Stück der Deckelsprühleitung zerstört wurde.<ref name="BMU2002">Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): ''Meldepflichtige Ereignisse in Anlagen zur Spaltung von Kernbrennstoffen in der Bundesrepublik Deutschland, Jahresbericht 2002'', BMU Bonn (2003), S. 16.</ref>

Die Radiolyse von Wasser ist auch bei der Betrachtung von [[Auslegungsstörfall|Auslegungsstörfällen]] (z. B. von hypothetischen Kühlmittelverluststörfällen) zu beachten. Für die Wasserstoffbildung sind insbesondere die folgenden Quellen zu berücksichtigen:
* Radiolyse im Reaktorkern
* Radiolyse im Sumpf des Sicherheitsbehälters
* Radiolyse im Brennelementlagerbecken
Bei der Berechnung der Wasserstoffbildung ist dabei ein konservativer [[G-Wert (Radiologie)|G-Wert]] von [[G-Wert (Radiologie)|''G'']](H2) = 0,44 Moleküle/100 [[Elektronenvolt|eV]] anzunehmen.<ref name="BMU2009">Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): ''Sicherheitskriterien für Kernkraftwerke'', Revision D, April 2009.</ref>

Die Radiolyse von Wasser ist nicht zu verwechseln mit der Bildung von Wasserstoff durch die exotherme Reaktion von [[Zirconium]] mit Wasserdampf, die bei schweren Störfällen von Kernreaktoren auftreten kann:<ref name="Choppin2001_550_551">{{Literatur|Autor=Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg|Titel=Radiochemistry and Nuclear Chemistry|Auflage=3.|Verlag=Butterworth-Heinemann|Jahr=2001|Seiten=550–551|ISBN=978-0750674638}}</ref><ref name="Neeb_490">{{Literatur|Autor=Karl-Heinz Neeb|Titel=The Radiochemistry of Nuclear Power Plants with Light Water Reactors|Verlag=Walter de Gruyter|Jahr=1997|Seiten=490|ISBN=978-3110132427}}</ref>

:<math>\mathrm{Zr} \ {+} \ 2 \; \mathrm{H_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{ZrO_2} \ {+} \ 2 \; \mathrm{H_2}</math>

== Radiolyse von Luft ==
Ein bekanntes Produkt der strahlenchemischen Reaktion von Sauerstoff ist [[Ozon]].<ref name="Lieser1991_630">{{Literatur | Autor=Karl Heinrich Lieser | Titel=Einführung in die Kernchemie | Auflage=3. | Verlag=VCH | Ort=Weinheim | Jahr=1991 | Seiten=630 | ISBN=3-527-28329-3}}</ref> Bereits 1911 beschrieb [[Samuel C. Lind]] die strahlenchemische Ausbeute der Ozonbildung.<ref name="Choppin2001_167">{{Literatur|Autor=Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg|Titel=Radiochemistry and Nuclear Chemistry|Auflage=3.|Verlag=Butterworth-Heinemann|Jahr=2001|Seiten=167|ISBN=978-0750674638}}</ref>

:<math>\mathrm{O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ 2 \; \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{O} \ {+} \ \mathrm{O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{O_3}</math>

Bei der Einwirkung von ionisierender Strahlung auf [[Luft]] oder ähnliche Gasgemische aus [[Stickstoff]] und Sauerstoff entstehen [[Stickoxide]] (hauptsächlich [[Stickstoffdioxid]]) gemäß den folgenden Reaktionen:<ref name="Lieser1991_364_365">{{Literatur | Autor=Karl Heinrich Lieser | Titel=Einführung in die Kernchemie | Auflage=3. | Verlag=VCH | Ort=Weinheim | Jahr=1991 | Seiten=364–365 | ISBN=3-527-28329-3}}</ref>

:<math>\mathrm{N_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ 2 \; \mathrm{N}</math>

:<math>\mathrm{O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ 2 \; \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{N} \ {+} \ \mathrm{O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{NO} \ {+} \ \mathrm{O}</math>

:<math>2 \; \mathrm{NO} \ {+} \ \mathrm{O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ 2 \; \mathrm{NO_2}</math>

:<math>\mathrm{NO_2} \ {+} \ \mathrm{N} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{N_2O} \ {+} \ \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{NO_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{NO} \ {+} \ \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{NO_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{N} \ {+} \ 2 \; \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{O} \ {+} \ \mathrm{NO_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{NO} \ {+} \ \mathrm{O_2}</math>

:<math>\mathrm{NO_2} \ {+} \ \mathrm{N} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ 2 \; \mathrm{NO}</math>

:<math>2 \; \mathrm{NO} \ {+} \ \mathrm{O_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ 2 \; \mathrm{NO_2}</math>

:<math>\mathrm{NO_2} \ {+} \ \mathrm{N} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{N_2O} \ {+} \ \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{N_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{N_2} \ {+} \ \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{NO_2} \ {+} \ \mathrm{N} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{N_2} \ {+} \ 2 \; \mathrm{O}</math>

:<math>2 \; \mathrm{O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{O_2}</math>

:<math>\mathrm{N_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{N_2} \ {+} \ \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{N_2O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{N} \ {+} \ \mathrm{NO}</math>

Diese Reaktionen sind insbesondere von Bedeutung, wenn Kernreaktoren mit Luft gekühlt werden. Zur Kühlung von gasgekühlten Reaktoren wird häufig auch [[Kohlendioxid]] eingesetzt, weshalb dessen strahlenchemischen Reaktionen untersucht worden sind:

:<math>\mathrm{CO_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{CO} \ {+} \ \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{CO_2} \ \xrightarrow[{\qquad}]{\gamma } \ \mathrm{C} \ {+} \ 2 \; \mathrm{O}</math>

:<math>\mathrm{CO} \ + \ \mathrm{C} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{C_2O}</math>

:<math>\mathrm{C_2O} \ + \ \mathrm{CO} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{C_3O_2}</math>

:<math>\mathrm{C_3O_2} \ + \ \mathrm{O} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{CO_2} \ + \ \mathrm{C_2O}</math>

== Autoradiolyse ==
Autoradiolyse ist die Radiolyse einer chemischen Verbindung durch Strahlung von radioaktiven Atomen im Stoff selbst. Sie kommt also nur in Stoffen mit radioaktiven Elementen oder radioaktiven Isotopen von Elementen vor. Ein Beispiel stellen Umwandlungen von mit C-14 oder S-35 radioaktiv markierten organischen Verbindungen dar, die in der Forschung eingesetzt werden.<ref>{{Literatur|Autor=|Titel=Springer Umweltlexikon|Verlag=Springer-Verlag|Ort=|Datum=2013-03-13|Seiten=124|ISBN=978-3-642-97335-2|Online=[https://books.google.de/books?id=Z7yoBgAAQBAJ&pg=PA124&dq=Autoradiolyse&hl=de&sa=X&ved=0ahUKEwjEkr---4TSAhVKLsAKHdIxCNEQ6AEINTAF#v=onepage&q=Autoradiolyse&f=false books.google.de]}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Radioaktivität]]
* [[Elektrolyse]]

== Einzelnachweise ==
<references/>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4176835-8}}

[[Kategorie:Kernchemie]]
[[Kategorie:Photochemie]]
[[Kategorie:Chemische Reaktion]]

Radiolyse - Versionsgeschichte

imported>Meinichselbst: Parameter fix