Защо уранът и неговите съединения са опасни? Уран, химичен елемент: историята на откритието и реакцията на ядрено делене.

Съдържанието на статията

УРАН, U (уран), метален химичен елемент от семейството на актинидите, който включва Ac, Th, Pa, U и трансурановите елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr ). Уранът стана известен с използването си в ядрени оръжия и ядрена енергия. Урановите оксиди се използват и за оцветяване на стъкло и керамика.

Намиране в природата.

Съдържанието на уран в земната кора е 0,003%, среща се в повърхностния слой на земята под формата на четири вида отлагания. Първо, това са вени от уранинит или уранова смола (уранов диоксид UO 2), много богат на уран, но рядък. Те са придружени от отлагания на радий, тъй като радият е пряк продукт от изотопния разпад на урана. Такива вени се намират в Заир, Канада (Голямото мечо езеро), Чехия и Франция. Вторият източник на уран са конгломерати от торий и уранова руда, заедно с руди от други важни минерали. Конгломератите обикновено съдържат достатъчно количество злато и сребро за извличане, а уранът и торият стават съпътстващи елементи. Големи находища на тези руди се намират в Канада, Южна Африка, Русия и Австралия. Третият източник на уран са седиментни скали и пясъчници, богати на минерала карнотит (калиев уранил ванадат), който съдържа освен уран, значително количество ванадий и други елементи. Такива руди се намират в западните щати на Съединените щати. Желязно-урановите шисти и фосфатните руди представляват четвъртия източник на находища. Богати находища се намират в шистите на Швеция. Някои фосфатни руди в Мароко и Съединените щати съдържат значителни количества уран, а фосфатните находища в Ангола и Централноафриканската република са дори по-богати на уран. Повечето лигнити и някои въглища обикновено съдържат примеси от уран. Богати на уран лигнитни находища са открити в Северна и Южна Дакота (САЩ) и битуминозни въглища в Испания и Чехия.

Отваряне.

Уранът е открит през 1789 г. от немския химик М. Клапрот, който нарече елемента в чест на откриването на планетата Уран 8 години по-рано. (Клапрот е водещият химик на своето време; той открива и други елементи, включително Ce, Ti и Zr.) Всъщност, веществото, получено от Клапрот, не е елементарен уран, а негова окислена форма и елементарен уран е първият получен от френския химик Е. .Пелиго през 1841 г. От момента на откриването до 20 век. уранът не е бил толкова важен, колкото е днес, въпреки че са определени много от неговите физически свойства, както и атомната маса и плътност. През 1896 г. А. Бекерел открива, че урановите соли имат радиация, която осветява фотографска плоча в тъмното. Това откритие стимулира химиците към изследвания в областта на радиоактивността и през 1898 г. френските физици, съпрузите П. Кюри и М. Склодовска-Кюри, изолират соли на радиоактивните елементи полоний и радий, а Е. Ръдърфорд, Ф. Соди, С. Фаянс и други учени разработиха теорията за радиоактивния разпад, която постави основите на съвременната ядрена химия и ядрената енергетика.

Първи приложения на уран.

Въпреки че радиоактивността на урановите соли е била известна, неговите руди през първата трета на този век са били използвани само за получаване на придружаващия радий, а уранът се смятал за нежелан страничен продукт. Използването му е съсредоточено главно в технологията на керамиката и в металургията; Урановите оксиди са били широко използвани за оцветяване на стъкло в цветове от бледожълто до тъмнозелено, което допринесе за развитието на евтино производство на стъкло. Днес продуктите от тези индустрии се идентифицират като флуоресцентни под ултравиолетова светлина. По време на Първата световна война и малко след това уранът под формата на карбид се използва за производството на инструментални стомани, подобно на Mo и W; 4–8% уран заменя волфрама, който по това време беше ограничен в производството. За получаване на инструментални стомани през 1914-1926 г. се произвеждат няколко тона фероуран годишно, съдържащ до 30% (мас.) U. Това използване на уран обаче не продължава дълго.

Съвременна употреба на уран.

Урановата индустрия започва да се оформя през 1939 г., когато е извършено делене на урановия изотоп 235 U, което води до техническото изпълнение на контролирани верижни реакции на делене на уран през декември 1942 г. Това е раждането на ерата на атома, когато уранът се превърна от второстепенен елемент в един от най-важните елементи в жизненото общество. Военното значение на урана за производството на атомната бомба и използването му като гориво в ядрени реактори създаде търсене на уран, което се увеличи астрономически. Интересна хронология на нарастването на търсенето на уран се основава на историята на находищата в Голямото мечо езеро (Канада). През 1930 г. в това езеро е открита смола, смес от уранови оксиди, а през 1932 г. в тази област е създадена технология за пречистване на радий. От всеки тон руда (катранена смес) се получава 1 г радий и около половин тон страничен продукт - уранов концентрат. Радият обаче бил оскъден и добивът му бил спрян. От 1940 до 1942 г. разработката е възобновена и уранова руда е изпратена в Съединените щати. През 1949 г. подобно пречистване на уран, с някои модификации, е приложено за получаване на чист UO 2 . Това производство нарасна и сега е едно от най-големите производства на уран.

Имоти.

Уранът е един от най-тежките елементи, намиращи се в природата. Чистият метал е много плътен, пластичен, електроположителен с ниска електрическа проводимост и силно реактивен.

Уранът има три алотропни модификации: а-уран (орторомбична кристална решетка), съществува в диапазона от стайна температура до 668°C; б- уран (сложна кристална решетка от тетрагонален тип), стабилна в диапазона 668–774 ° С; ж- уран (центрирана върху тялото кубична кристална решетка), стабилен от 774 ° C до точката на топене (1132 ° C). Тъй като всички изотопи на урана са нестабилни, всички негови съединения проявяват радиоактивност.

Изотопи на уран

238 U, 235 U, 234 U се срещат в природата в съотношение 99,3:0,7:0,0058 и 236U в следи. Всички други изотопи на урана от 226 U до 242 U се получават изкуствено. Изотопът 235 U е от особено значение. Под действието на бавни (термични) неутрони той се разделя с отделяне на огромна енергия. Пълното делене на 235 U води до освобождаване на "еквивалент на топлинна енергия" от 2h 10 7 kWh/kg. Разделянето на 235 U може да се използва не само за производство на големи количества енергия, но и за синтезиране на други важни актинидни елементи. Естественият изотопен уран може да се използва в ядрени реактори за производство на неутрони, произведени от делене на 235 U, докато излишните неутрони, които не се изискват от верижната реакция, могат да бъдат уловени от друг естествен изотоп, което води до производство на плутоний:

При бомбардиране с 238 U от бързи неутрони възникват следните реакции:

Според тази схема най-разпространеният изотоп 238 U може да бъде превърнат в плутоний-239, който също като 235 U също е способен да се дели под въздействието на бавни неутрони.

В момента са получени голям брой изкуствени изотопи на урана. Сред тях 233 U е особено забележим с това, че също се разделя при взаимодействие с бавни неутрони.

Някои други изкуствени изотопи на урана често се използват като радиоактивни етикети (маркери) в химически и физически изследвания; това е преди всичко б- емитер 237 U и а- излъчвател 232 U.

Връзки.

Уранът, силно реактивоспособен метал, има степени на окисление от +3 до +6, близък е до берилия в серията активност, взаимодейства с всички неметали и образува интерметални съединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Фино разделеният уран е особено реактивен и при температури над 500°C често влиза в реакции, характерни за урановия хидрид. Бучкият уран или стърготини горят ярко при 700–1000°C, докато урановите пари горят вече при 150–250°C; уранът реагира с HF при 200–400°C, образувайки UF 4 и H 2 . Уранът бавно се разтваря в концентриран HF или H 2 SO 4 и 85% H 3 PO 4 дори при 90 ° C, но лесно реагира с конц. HCl и по-малко активен с HBr или HI. Реакциите на урана с разредена и концентрирана HNO 3 протичат най-активно и бързо с образуването на уранил нитрат ( виж отдолу). В присъствието на HCl, уранът бързо се разтваря в органични киселини, образувайки органични соли U 4+ . В зависимост от степента на окисление уранът образува няколко вида соли (най-важната сред тях с U 4+, едната от които UCl 4 е лесно окисляваща се зелена сол); уранилните соли (UO 2 2+ радикал) от типа UO 2 (NO 3) 2 са жълти и флуоресцират зелени. Уранилните соли се образуват чрез разтваряне на амфотерен оксид UO 3 (жълт цвят) в кисела среда. В алкална среда UO 3 образува уранати от типа Na 2 UO 4 или Na 2 U 2 O 7. Последното съединение ("жълт уранил") се използва за производството на порцеланови глазури и при производството на флуоресцентни стъкла.

Урановите халогениди са широко изследвани през 40-те – 50-те години на миналия век, тъй като са в основата на разработването на методи за разделяне на уранови изотопи за атомна бомба или ядрен реактор. Уранов трифлуорид UF 3 се получава чрез редукция на UF 4 с водород, а уранов тетрафлуорид UF 4 се получава по различни начини чрез реакции на HF с оксиди като UO 3 или U 3 O 8 или чрез електролитна редукция на уранилни съединения. Уранов хексафлуорид UF 6 се получава чрез флуориране на U или UF 4 с елементарен флуор или чрез действието на кислород върху UF 4 . Хексафлуоридът образува прозрачни кристали с висок коефициент на пречупване при 64°C (1137 mmHg); съединението е летливо (сублимира при 56,54 ° C при нормални условия на налягане). Урановите оксохалиди, например оксофлуоридите, имат състав UO 2 F 2 (уранил флуорид), UOF 2 (уранов оксид дифлуорид).

Електронна конфигурация 5f 3 6d 1 7s 2 Химични свойства ковалентен радиус 142 следобед йонен радиус (+6e) 80 (+4e) 97 ч Електроотрицателност
(според Полинг) 1,38 Потенциал на електрода U←U 4+ -1,38V
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0.1V Окислителни състояния 6, 5, 4, 3 Термодинамични свойства на простото вещество Плътност 19,05 /см³ Моларен топлинен капацитет 27,67 J /( mol) Топлопроводимост 27,5 W /( ) Температура на топене 1405,5 Топене на топене 12,6 kJ/mol Температура на кипене 4018 Топлина на изпаряване 417 kJ / mol Моларен обем 12,5 cm³/mol Кристалната решетка на просто вещество Решетъчна структура орторомбичен Параметри на решетката 2,850 c/a съотношение n/a Температура на Дебай n/a

У	92
238,0289
5f 3 6d 1 7s 2
Уран

Уран(старо име Урания) е химичен елемент с атомен номер 92 в периодичната система, атомна маса 238,029; обозначава се със символа U ( уран), принадлежи към семейството на актинидите.

История

Още в древни времена (I век пр. н. е.) естественият уранов оксид е бил използван за направата на жълта глазура за керамика. Изследванията върху урана са се развили като верижната реакция, която генерира. Първоначално информацията за неговите свойства, като първите импулси на верижна реакция, идваше с дълги прекъсвания, от случай на случай. Първата важна дата в историята на урана е 1789 г., когато немският натурален философ и химик Мартин Хайнрих Клапрот възстановява златисто-жълтата „земя“, извлечена от саксонската смола, до вещество, подобно на черен метал. В чест на най-далечната планета, известна тогава (открита от Хершел осем години по-рано), Клапрот, считайки новото вещество за елемент, го нарече уран.

В продължение на петдесет години уранът на Клапрот се смяташе за метал. Едва през 1841 г. Юджийн Мелхиор Пелиго - френски химик (1811-1890)] доказва, че въпреки характерния метален блясък, уранът на Клапрот не е елемент, а оксид UO 2. През 1840 г. Пелиго успява да получи истински уран, стоманено-сив тежък метал, и да определи атомното му тегло. Следващата важна стъпка в изследването на урана е направена през 1874 г. от Д. И. Менделеев. Въз основа на разработената от него периодична система той постави уран в най-отдалечената клетка на своята маса. Преди това атомното тегло на урана се смяташе за 120. Великият химик удвои тази стойност. След 12 години предсказанието на Менделеев се потвърждава от опитите на немския химик Цимерман.

Изучаването на урана започва през 1896 г.: френският химик Антоан Анри Бекерел случайно открива лъчите на Бекерел, които Мария Кюри по-късно преименува на радиоактивност. В същото време френският химик Анри Моасан успява да разработи метод за получаване на чист метален уран. През 1899 г. Ръдърфорд открива, че излъчването на урановите препарати е неравномерно, че има два вида радиация – алфа и бета лъчи. Те носят различен електрически заряд; далеч от същия диапазон на веществото и йонизиращата способност. Малко по-късно, през май 1900 г., Пол Вилард открива трети вид радиация - гама лъчи.

Ърнест Ръдърфорд провежда през 1907 г. първите експерименти за определяне на възрастта на минералите при изследването на радиоактивен уран и торий въз основа на теорията за радиоактивността, която създава заедно с Фредерик Соди (Soddy, Frederick, 1877-1956; Нобелова награда по химия, 1921 г.). През 1913 г. Ф. Соди въвежда концепцията за изотопи(от гръцки ισος - "равен", "същ" и τόπος - "място"), и през 1920 г. предсказва, че изотопи могат да се използват за определяне на геоложката възраст на скалите. През 1928 г. Niggot осъзнава, а през 1939 г. A.O.K. Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) създава първите уравнения за изчисляване на възрастта и прилага мас спектрометър за разделяне на изотопи.

През 1939 г. Фредерик Жолио-Кюри и немските физици Ото Фриш и Лиза Майтнер откриват неизвестно явление, което възниква с ядрото на уран, когато то е облъчено с неутрони. Имаше експлозивно разрушаване на това ядро ​​с образуването на нови елементи, много по-леки от урана. Това унищожение беше с експлозивен характер, фрагменти от продукти, разпръснати в различни посоки с огромна скорост. Така беше открито явление, наречено ядрена реакция.

През 1939-1940г. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович показаха за първи път теоретично, че с леко обогатяване на естествен уран с уран-235 е възможно да се създадат условия за непрекъснато делене на атомни ядра, т.е. придайте на процеса верижен характер.

Да бъдеш сред природата

Уранитова руда

Уранът е широко разпространен в природата. Урановата кларка е 1·10 -3% (тегл.). Количеството уран в слой от литосферата с дебелина 20 км се оценява на 1,3 10 14 тона.

Основната част от урана се намира в кисели скали с високо съдържание силиций. Значителна маса уран е концентрирана в седиментните скали, особено тези, обогатени с органична материя. Уранът присъства в големи количества като примес в торий и редкоземни минерали (ортит, сфен CaTiO 3 , монацит (La, Ce)PO 4 , циркон ZrSiO 4 , ксенотим YPO4 и др.). Най-важните уранови руди са смола (катран), уранинит и карнотит. Основните минерали - спътници на урана са молибденит MoS 2, галенит PbS, кварц SiO 2, калцит CaCO 3, хидромусковит и др.

Минерал	Основният състав на минерала	Съдържание на уран, %
уранит	UO 2 , UO 3 + ThO 2 , CeO 2	65-74
карнотит	K 2 (UO 2) 2 (VO 4) 2 2H 2 O	~50
Casolite	PbO 2 UO 3 SiO 2 H 2 O	~40
Самарскит	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn) 2 O 6	3.15-14
бранерит	(U, Ca, Fe, Y, Th) 3 Ti 5 O 15	40
Туямунит	CaO 2UO 3 V 2 O 5 nH 2 O	50-60
зейнерит	Cu(UO 2) 2 (AsO 4) 2 nH2O	50-53
Отенит	Ca(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH2O	~50
Шрекингерит	Ca 3 NaUO 2 (CO 3) 3 SO 4 (OH) 9H 2 O	25
Уранофан	CaO UO 2 2SiO 2 6H 2 O	~57
фергюзонит	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4	0.2-8
Торбернит	Cu(UO 2) 2 (PO 4) 2 nH2O	~50
ковчег	U(SiO 4) 1-x (OH) 4x	~50

Основните форми на уран, намиращи се в природата, са уранинит, смола (катран) и ураново черно. Те се различават само по формите на възникване; има възрастова зависимост: уранинитът присъства предимно в древни (предкамбрийски скали), смолиста смес - вулканогенна и хидротермална - предимно в палеозойски и по-млади високо- и среднотемпературни образувания; уранов черен - главно в млади - кайнозойски и по-млади формации - главно в нискотемпературни седиментни скали.

Съдържанието на уран в земната кора е 0,003%, среща се в повърхностния слой на земята под формата на четири вида отлагания. Първо, това са вени от уранинит или смола уран (уранов диоксид UO2), много богат на уран, но рядък. Те са придружени от отлагания на радий, т.к радийе пряк продукт на изотопния разпад на урана. Такива вени се намират в Заир, Канада (Великото мечо езеро), Чехияи Франция. Вторият източник на уран са конгломерати от торий и уранова руда, заедно с руди от други важни минерали. Конгломератите обикновено съдържат достатъчни количества за извличане златои сребро, а съпътстващите елементи са уран и торий. Големи находища на тези руди се намират в Канада, Южна Африка, Русия и Австралия. Третият източник на уран са седиментни скали и пясъчници, богати на минерала карнотит (калиев уранил ванадат), който съдържа освен уран и значително количество ванадийи други елементи. Такива руди се намират в западните щати САЩ. Желязно-урановите шисти и фосфатните руди представляват четвъртия източник на находища. Богати находища, открити в шисти Швеция. Някои фосфатни руди в Мароко и Съединените щати съдържат значителни количества уран и фосфатни находища в Анголаи Централноафриканската република са още по-богати на уран. Повечето лигнити и някои въглища обикновено съдържат примеси от уран. Богати на уран лигнитни находища, открити в Северна и Южна Дакота (САЩ) и битуминозни въглища Испанияи Чехия

Изотопи на уран

Естественият уран се състои от смес от три изотопи: 238 U - 99,2739% (период на полуразпад т 1/2 \u003d 4,468 × 10 9 години), 235 U - 0,7024% ( т 1/2 \u003d 7,038 × 10 8 години) и 234 U - 0,0057% ( т 1/2 = 2,455×10 5 години). Последният изотоп не е първичен, а радиогенен; той е част от радиоактивната серия 238 U.

Радиоактивността на естествения уран се дължи главно на изотопите 238 U и 234 U, като в равновесие специфичните им активности са равни. Специфичната активност на изотопа 235 U в естествения уран е 21 пъти по-малка от активността на 238 U.

Известни са 11 изкуствени радиоактивни изотопа на урана с масови числа от 227 до 240. Най-дълго живеещият от тях е 233 U ( т 1/2 \u003d 1,62 × 10 5 години) се получава чрез облъчване на торий с неутрони и е способен на спонтанно делене от топлинни неутрони.

Урановите изотопи 238 U и 235 U са предшествениците на две радиоактивни серии. Крайните елементи на тези серии са изотопи водя 206Pb и 207Pb.

В естествени условия изотопите са основно разпространени 234 U: 235 U : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Половината от радиоактивността на естествения уран се дължи на изотопа 234 U. изотоп 234 Uобразуван от разпад 238 U. За последните две, за разлика от други двойки изотопи и независимо от високата миграционна способност на урана, е характерно географското постоянство на съотношението. Стойността на това съотношение зависи от възрастта на урана. Множество естествени измервания показаха незначителните му колебания. Така че в ролките стойността на това съотношение спрямо стандарта варира в рамките на 0,9959 -1,0042, в соли - 0,996 - 1,005. При урансъдържащите минерали (настуран, черен уран, циртолит, редкоземни руди) стойността на това съотношение варира между 137,30 и 138,51; освен това не е установена разликата между формите U IV и U VI; в сфена - 138,4. Открит е изотопен дефицит в някои метеорити 235 U. Най-ниската му концентрация при земни условия е открита през 1972 г. от френския изследовател Бужигес в град Окло в Африка (находище в Габон). Така нормалният уран съдържа 0,7025% уран 235 U, докато в Окло той намалява до 0,557%. Това подкрепя хипотезата за естествен ядрен реактор, водещ до изотопно изгаряне, предсказана от Джордж У. Уедърил от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Марк Г. Инграм от Чикагския университет и Пол К. Курода, химик от Университета на Арканзас, който описва процеса още през 1956 г. Освен това в същите райони са открити естествени ядрени реактори: Окелобондо, Бангомбе и др. В момента са известни около 17 естествени ядрени реактора.

Разписка

Първият етап от производството на уран е концентрацията. Скалата се натрошава и се смесва с вода. Компонентите с тежки суспендирани вещества се утаяват по-бързо. Ако скалата съдържа първични уранови минерали, те се утаяват бързо: това са тежки минерали. Вторичните уранови минерали са по-леки и в този случай тежките отпадъчни скали се утаяват по-рано. (Въпреки това, той далеч не винаги е наистина празен; може да съдържа много полезни елементи, включително уран).

Следващият етап е излугването на концентратите, прехвърлянето на урана в разтвор. Нанесете киселинно и алкално излугване. Първият е по-евтин, тъй като сярната киселина се използва за извличане на уран. Но ако в суровината, като например в урана катран, уранът е в четиривалентно състояние, тогава този метод не е приложим: четиривалентен уран в сярна киселина практически не се разтваря. В този случай трябва или да се прибегне до алкално излугване, или да се окисли предварително урана до шествалентно състояние.

Не използвайте киселинно излугване и в случаите, когато урановият концентрат съдържа доломит или магнезит, реагиращи със сярна киселина. В тези случаи, сода каустик (хидроксид натрий).

Проблемът с извличането на уран от рудите се решава чрез продухване с кислород. Кислороден поток се подава в смес от уранова руда със сулфидни минерали, загрята до 150 °C. В този случай от серни минерали се образува сярна киселина, която измива урана.

На следващия етап уранът трябва да бъде селективно изолиран от получения разтвор. Съвременните методи - екстракция и йонообмен - позволяват да се реши този проблем.

Разтворът съдържа не само уран, но и други катиони. Някои от тях при определени условия се държат по същия начин като урана: те се екстрахират със същите органични разтворители, отлагат се върху същите йонообменни смоли и се утаяват при същите условия. Следователно, за селективното изолиране на урана, трябва да се използват много редокс реакции, за да се отървем от един или друг нежелан спътник на всеки етап. Върху съвременните йонообменни смоли уранът се отделя много избирателно.

Методи йонен обмен и екстракцияте също са добри, защото ви позволяват да извлечете напълно уран от лоши разтвори (съдържанието на уран е десети от грама на литър).

След тези операции уранът се прехвърля в твърдо състояние - в един от оксидите или в UF 4 тетрафлуорид. Но този уран все още трябва да бъде пречистен от примеси с голямо напречно сечение на улавяне на топлинни неутрони - бор, кадмий, хафний. Тяхното съдържание в крайния продукт не трябва да надвишава сто хилядна и милионна част от процента. За да се отстранят тези примеси, търговско чисто ураново съединение се разтваря в азотна киселина. В този случай се образува уранил нитрат UO 2 (NO 3) 2, който при екстракция с трибутил фосфат и някои други вещества допълнително се пречиства до желаните условия. След това това вещество кристализира (или се утаява пероксид UO 4 ·2H 2 O) и започва внимателно да се запалва. В резултат на тази операция се образува уранов триоксид UO 3, който се редуцира с водород до UO 2.

Урановият диоксид UO 2 при температура от 430 до 600 ° C се обработва със сух флуороводород за получаване на тетрафлуорид UF 4 . От това съединение се редуцира металният уран калцийили магнезий.

Физически свойства

Уранът е много тежък, сребристо-бял, лъскав метал. В чиста форма той е малко по-мек от стоманата, ковък, гъвкав и има леки парамагнитни свойства. Уранът има три алотропни форми: алфа (призматична, стабилна до 667,7 °C), бета (четириъгълна, стабилна от 667,7 °C до 774,8 °C), гама (с центрирана върху тялото кубична структура, съществуваща от 774, 8 °C до точка на топене).

Радиоактивни свойства на някои уранови изотопи (изолирани са естествени изотопи):

Химични свойства

Уранът може да проявява степен на окисление от +III до +VI. Съединенията на уран (III) образуват нестабилни червени разтвори и са силни редуциращи агенти:

4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2

Съединенията на уран(IV) са най-стабилните и образуват зелени водни разтвори.

Съединенията на уран (V) са нестабилни и лесно непропорционални във воден разтвор:

2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2

Химически уранът е много активен метал. Бързо се окислява във въздуха, той е покрит с ирисцентен оксиден филм. Фин уранов прах се запалва спонтанно във въздуха, той се запалва при температура 150-175 °C, образувайки U 3 O 8 . При 1000 °C уранът се комбинира с азот, за да образува жълт уранов нитрид. Водата е способна да корозира метала, бавно при ниски температури и бързо при високи температури, както и при фино смилане на уранов прах. Уранът се разтваря в солна, азотна и други киселини, образувайки четиривалентни соли, но не взаимодейства с основи. Уран измества водородот неорганични киселини и солеви разтвори на метали като напр живак, сребро, медни, калай, платинаизлато. При силно разклащане металните частици на урана започват да светят. Уранът има четири степени на окисление - III-VI. Шествалентните съединения включват уранов триоксид (уранилов оксид) UO 3 и уранов хлорид UO 2 Cl 2 . Уранов тетрахлорид UCl 4 и уранов диоксид UO 2 са примери за четиривалентен уран. Веществата, съдържащи четиривалентен уран, обикновено са нестабилни и се превръщат в шествалентен уран при продължително излагане на въздух. Уранилните соли, като уранилхлорид, се разлагат в присъствието на ярка светлина или органични вещества.

Приложение

Ядрено гориво

Има най-голямо приложение изотопуран 235 U, в който е възможна самоподдържаща се ядрена верижна реакция. Следователно този изотоп се използва като гориво в ядрените реактори, както и в ядрените оръжия. Отделянето на изотопа U 235 от естествения уран е сложен технологичен проблем (виж разделяне на изотопи).

Изотопът U 238 е способен да се раздели под въздействието на бомбардиране с високоенергийни неутрони, тази характеристика се използва за увеличаване на мощността на термоядрените оръжия (използват се неутрони, генерирани от термоядрена реакция).

В резултат на улавяне на неутрони, последвано от β-разпад, 238 U може да се превърне в 239 Pu, който след това се използва като ядрено гориво.

Уран-233, изкуствено произведен в реактори от торий (торий-232 улавя неутрон и се превръща в торий-233, който се разпада на протактиний-233 и след това в уран-233), може в бъдеще да се превърне в обичайно ядрено гориво за ядрената енергия инсталации (вече има реактори, използващи този нуклид като гориво, например KAMINI в Индия) и производството на атомни бомби (критична маса от около 16 кг).

Уран-233 е и най-обещаващото гориво за газофазни ядрени ракетни двигатели.

геология

Основният клон на използването на урана е определянето на възрастта на минералите и скалите, за да се изясни последователността на геоложките процеси. Това се прави от Геохронология и Теоретична геохронология. Решаването на проблема със смесването и източниците на материя също е от съществено значение.

Решението на задачата се основава на уравненията на радиоактивния разпад, описани от уравненията.

където 238 Uo, 235 Uo— съвременни концентрации на уранови изотопи; ; — константи на разпад атоми, съответно, на урана 238 Uи 235 U.

Тяхната комбинация е много важна:

.

Поради факта, че скалите съдържат различни концентрации на уран, те имат различна радиоактивност. Това свойство се използва при подбора на скали чрез геофизични методи. Този метод е най-широко използван в нефтената геология за каротаж на кладенци, този комплекс включва по-специално γ-каротаж или неутронна гама каротаж, гама-гама каротаж и др. С тяхна помощ се идентифицират резервоари и уплътнения.

Други приложения

Малка добавка на уран придава красива жълто-зелена флуоресценция на стъклото (ураново стъкло).

Натриевият уранат Na 2 U 2 O 7 е използван като жълт пигмент в боядисването.

Урановите съединения са използвани като бои за рисуване върху порцелан и за керамични глазури и емайли (оцветени в цветове: жълто, кафяво, зелено и черно, в зависимост от степента на окисление).

Някои уранови съединения са фоточувствителни.

В началото на 20 век уранил нитратТой беше широко използван за подобряване на негативи и оцветяване (оттенък) на позитиви (фотографски разпечатки) в кафяво.

Уран-235 карбид в сплав с ниобиев карбид и циркониев карбид се използва като гориво за ядрени реактивни двигатели (работната течност е водород + хексан).

Като мощни магнитострикционни материали се използват сплави от желязо и обеднен уран (уран-238).

обеднен уран

обеднен уран

След извличане на 235 U и 234 U от естествен уран, оставащият материал (уран-238) се нарича "обеднен уран", тъй като е обеднен в изотопа 235. Според някои доклади около 560 000 тона обеднен уран хексафлуорид (UF 6) се съхраняват в Съединените щати.

Обедненият уран е наполовина по-радиоактивен от естествения уран, главно поради отстраняването от него на 234 U. Поради факта, че основното използване на урана е производството на енергия, обеднен уран е продукт с ниска употреба и ниска икономическа стойност.

По принцип използването му е свързано с високата плътност на урана и относително ниската му цена. Обедненият уран се използва за защита от радиация (по ирония на съдбата) и като баласт в аерокосмическите приложения като повърхности за управление на самолети. Всеки самолет Боинг 747 съдържа 1500 кг обеднен уран за тази цел. Този материал се използва и във високоскоростни ротори за жироскопи, големи маховици, като баласт в космически спускащи се превозни средства и състезателни яхти, докато се пробиват нефтени кладенци.

Ядра от бронебойни снаряди

Върхът (втулката) на снаряд с калибър 30 ​​мм (оръдие GAU-8 на самолета А-10) с диаметър около 20 мм от обеднен уран.

Най-известното използване на обеднен уран е като ядра за бронебойни снаряди. Когато е легиран с 2% Mo или 0,75% Ti и термично обработен (бързо закаляване на метал, нагрят до 850 °C във вода или масло, допълнително задържане при 450 °C в продължение на 5 часа), металният уран става по-твърд и по-здрав от стоманата (якост на опън е по-голямо от 1600 MPa, въпреки факта, че за чист уран е 450 MPa). В комбинация с високата му плътност, това прави закаления уранов слитък изключително ефективен инструмент за проникване на броня, подобен по ефективност на по-скъпия волфрам. Тежкият уранов накрайник също променя разпределението на масата в снаряда, подобрявайки неговата аеродинамична стабилност.

Подобни сплави от типа Stabilla се използват в стреловидни пернати черупки на танкови и противотанкови артилерийски части.

Процесът на разрушаване на бронята е придружен от смилане на урановия слитък на прах и запалването му във въздуха от другата страна на бронята (виж Пирофорност). Около 300 тона обеднен уран остават на бойното поле по време на операция „Пустинна буря“ (предимно останки от снаряди от 30 мм оръдие GAU-8 на щурмови самолети А-10, всеки снаряд съдържа 272 г уранова сплав).

Такива снаряди са използвани от войските на НАТО в боевете в Югославия. След прилагането им беше обсъден екологичният проблем с радиационното замърсяване на територията на страната.

За първи път уранът е използван като ядро ​​за снаряди в Третия райх.

Обедреният уран се използва в съвременната танкова броня, като танка M-1 Abrams.

Физиологично действие

В микроколичества (10 -5 -10 -8%) се намира в тъканите на растения, животни и хора. Натрупва се в най-голяма степен от някои гъби и водорасли. Урановите съединения се абсорбират в стомашно-чревния тракт (около 1%), в белите дробове - 50%. Основните депа в тялото: далака, бъбреците, скелета, черния дроб, белите дробове и бронхо-белодробните лимфни възли. Съдържанието в органи и тъкани на хора и животни не надвишава 10 -7 g.

Уран и неговите съединения токсичен. Особено опасни са аерозолите на урана и неговите съединения. За аерозоли на водоразтворими уранови съединения MPC във въздуха е 0,015 mg/m³, за неразтворими форми на уран MPC е 0,075 mg/m³. Когато попадне в тялото, уранът действа върху всички органи, като обща клетъчна отрова. Молекулният механизъм на действие на урана е свързан със способността му да инхибира активността на ензимите. На първо място са засегнати бъбреците (в урината се появяват протеини и захар, олигурия). При хронична интоксикация са възможни нарушения на хемопоетичната и нервната система.

Производство по държави в тонове по съдържание на U за 2005–2006 г

Производство по фирми през 2006 г.:

Камеко - 8,1 хиляди тона

Рио Тинто - 7 хиляди тона

AREVA - 5 хил.т

Казатомпром - 3,8 хиляди тона

АД ТВЕЛ — 3,5 хил. тона

BHP Billiton - 3 хиляди тона

Navoi MMC - 2,1 хиляди тона ( Узбекистан, Навои)

Uranium One - 1 хил. тона

Heathgate - 0,8 хиляди тона

Denison Mines - 0,5 хиляди тона

Производство в Русия

В СССР основните уранови рудни райони са Украйна (Желтореченское, Первомайское и др. находища), Казахстан (Северно - Балкашинско рудно поле и др.; Южно - Кизилсайско рудно поле и др.; Восточный; всички те принадлежат главно към вулканогенно-хидротермален тип); Забайкалия (Антей, Стрелцовское и др.); Централна Азия, главно Узбекистан с минерализация в черни шисти с център в град Учкудук. Има много малки рудни прояви и прояви. В Русия Забайкалия остава основният регион на уранова руда. Около 93% от руския уран се добива в находището в района на Чита (близо до град Краснокаменск). Добивът се извършва от Приаргунската промишлена минно-химическа асоциация (PIMCU), която е част от АД Атомредметзолото (Уранов холдинг), по метода на рудниците.

Останалите 7% се получават чрез излугване на място от ZAO Dalur (Курганска област) и OAO Khiagda (Бурятия).

Получените руди и уранов концентрат се преработват в Чепецкия механичен завод.

Добив в Казахстан

Около една пета от световните запаси от уран са съсредоточени в Казахстан (21% и 2-ро място в света). Общите ресурси на уран са около 1,5 милиона тона, от които около 1,1 милиона тона могат да бъдат добивани чрез излугване на място.

През 2009 г. Казахстан излезе на първо място в света по добив на уран.

Производство в Украйна

Основното предприятие е Източен минно-обогатителен комбинат в град Жовти води.

Цена

Въпреки легендите за десетки хиляди долари за килограм или дори грам количества уран, реалната му цена на пазара не е много висока – необогатеният уранов оксид U 3 O 8 струва под 100 щатски долара за килограм. Това се дължи на факта, че за стартиране на ядрен реактор върху необогатен уран са необходими десетки или дори стотици тона гориво, а за производството на ядрено оръжие трябва да се обогатява голямо количество уран, за да се получат концентрации, подходящи за създаване на бомба.

УРАН (името в чест на планетата Уран, открита малко преди него; лат. uranium * a. uranium; n. Uran; f. uranium; и. uranio), U, е радиоактивен химичен елемент от група III на периодичната система на Менделеев, атомен номер 92, атомна маса 238.0289, се отнася до актиниди. Естественият уран се състои от смес от три изотопа: 238 U (99.282%, T 1/2 4.468.10 9 години), 235 U (0.712%, T 1/2 0.704.10 9 години), 234 U (0.006%, T 1/2 0.244.10 6 години). Известни са и 11 изкуствени радиоактивни изотопа на урана с масови числа от 227 до 240.

Уранът е открит през 1789 г. под формата на UO 2 от немския химик M. G. Klaproth. Металният уран е получен през 1841 г. от френския химик Е. Пелиго. Дълго време уранът е имал много ограничена употреба и едва с откриването на радиоактивността през 1896 г. започва изследването и използването му.

Свойства на урана

В свободно състояние уранът е светлосив метал; под 667,7°C, се характеризира с ромбична (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) кристална решетка (a-модификация), в температурния диапазон 667,7-774°C - тетрагонална (aa 1,0759 nm, c = 0,5656 nm; R-модификация), при по-висока температура - центрирана по тялото кубична решетка (a = 0,3538 nm, g-модификация). Плътност 18700 kg / m 3, топене t 1135 ° C, кипене t около 3818 ° C, моларен топлинен капацитет 27,66 J / (mol.K), електрическо съпротивление 29.0.10 -4 (Ohm.m), топлопроводимост 22, 5 W/(m.K), температурен коефициент на линейно разширение 10.7.10 -6 K -1 . Температурата на преход на урана в свръхпроводящо състояние е 0,68 K; слаб парамагнет, специфична магнитна чувствителност 1.72.10 -6 . Ядра 235 U и 233 U се разделят спонтанно, както и по време на улавяне на бавни и бързи неутрони, 238 U се разделят само при улавяне на бързи (повече от 1 MeV) неутрони. Когато се улавят бавни неутрони, 238 U се превръща в 239 Pu. Критичната маса на урана (93,5% 235U) във водни разтвори е по-малко от 1 kg, за отворена топка около 50 kg; за 233 U критичната маса е приблизително 1/3 от критичната маса от 235 U.

Образование и съдържание в природата

Основният потребител на уран е ядрената енергетика (ядрени реактори, атомни електроцентрали). Освен това уранът се използва за производство на ядрени оръжия. Всички останали области на използване на урана са от рязко подчинено значение.

(според Полинг) 1.38 U←U 4+ -1,38V
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0.1V 6, 5, 4, 3 Термодинамични свойства 19,05 / ³ 0,115 /( ) 27,5 /( ) 1405.5 12.6 / 4018 417 / 12,5³/ Кристална клетка орторомбичен 2.850 c/a съотношение n/a n/a

История

Още в древни времена (1 век пр.н.е.) естественият уран е бил използван за направата на жълта глазура за.

Уранът е открит през 1789 г. от немския химик Мартин Хайнрих Клапрот (Клапрот), докато изучава минерала ("уранов катран"). Той е кръстен на него, открит през 1781 г. В метално състояние уранът е получен през 1841 г. от френския химик Юджийн Пелиго по време на редукцията на UCl 4 с метален калий. уранът е открит през 1896 г. от французин. Първоначално 116 се приписва на урана, но през 1871 г. стига до заключението, че трябва да се удвои. След откриването на елементи с атомни номера от 90 до 103 американският химик Г. Сиборг стига до извода, че е по-правилно тези елементи () да се поставят в периодичната система в една и съща клетка с елемент No89. Това подреждане се дължи на факта, че 5f електронното подниво е завършено в актинидите.

Да бъдеш сред природата

Уранът е характерен елемент за гранитния слой и седиментната обвивка на земната кора. Съдържание в земната кора 2,5 10 -4% тегл. В морската вода концентрацията на уран е по-малка от 10 -9 g/l, като общо морската вода съдържа от 10 9 до 10 10 тона уран. Уранът не се намира в свободна форма в земната кора. Известни са около 100 уранови минерала, най-важните от тях са U3O8, уранинит (U,Th)O2, руда от уранова смола (съдържа уранови оксиди с променлив състав) и туямунит Ca [(UO 2) 2 (VO 4 ) 2] 8H 2 О

изотопи

Естественият уран се състои от смес от три изотопа: 238 U - 99,2739%, полуживот T 1 / 2 = 4,51-10 9 години, 235 U - 0,7024% (T 1 / 2 = 7,13-10 8 години) и 234 U - 0,0057% (T 1 / 2 \u003d 2,48 × 10 5 години).

Известни са 11 изкуствени радиоактивни изотопа с масови числа от 227 до 240.

Най-дълготрайният - 233 U (T 1 / 2 = 1,62 10 5 години) се получава чрез облъчване на торий с неутрони.

Урановите изотопи 238 U и 235 U са предшествениците на две радиоактивни серии.

Разписка

Първият етап от производството на уран е концентрацията. Скалата се натрошава и се смесва с вода. Компонентите на тежки суспендирани вещества се утаяват по-бързо. Ако скалата съдържа първични уранови минерали, те се утаяват бързо: това са тежки минерали. Вторичните минерали на елемент #92 са по-леки, в този случай тежката отпадъчна скала се утаява по-рано. (Въпреки това, той далеч не винаги е наистина празен; може да съдържа много полезни елементи, включително уран).

Следващият етап е излугването на концентратите, прехвърлянето на елемент No 92 в разтвор. Нанесете киселинно и алкално излугване. Първият е по-евтин, тъй като за добив се използва уран. Но ако в суровината, като например в урана катран, уранът е в четиривалентно състояние, то този метод не е приложим: четиривалентният уран в сярна киселина е практически неразтворим. И или трябва да прибягвате до алкално излугване, или предварително да окислите урана до шествалентно състояние.

Не използвайте киселинно излугване и в случаите, когато урановият концентрат съдържа или. Твърде много киселина трябва да се изразходва за разтварянето им и в тези случаи е по-добре да се използва ().

Проблемът с извличането на уран от него се решава чрез продухване с кислород. Поток се подава в смес от уранова руда и минерали, загрята до 150 °C. В същото време се образува от сярни минерали, които измиват урана.

На следващия етап уранът трябва да бъде селективно изолиран от получения разтвор. Съвременните методи - и - позволяват да се реши този проблем.

Разтворът съдържа не само уран, но и други. Някои от тях при определени условия се държат по същия начин като урана: те се екстрахират със същите разтворители, отлагат се върху същите йонообменни смоли и се утаяват при същите условия. Следователно, за селективното изолиране на урана, трябва да се използват много редокс реакции, за да се отървем от един или друг нежелан спътник на всеки етап. Върху съвременните йонообменни смоли уранът се отделя много избирателно.

Методи йонен обмен и екстракцияте също са добри, защото позволяват доста пълно извличане на уран от лоши разтвори, в един литър от който има само десети от грама елемент No92.

След тези операции уранът се прехвърля в твърдо състояние - в един от оксидите или в тетрафлуорид UF 4 . Но този уран все още трябва да бъде пречистен от примеси с голямо напречно сечение на улавяне на топлинни неутрони - , . Тяхното съдържание в крайния продукт не трябва да надвишава сто хилядна и милионна част от процента. Така полученият вече технически чист продукт трябва да се разтвори отново - този път вътре. Уранил нитрат UO 2 (NO 3) 2 по време на екстракция с трибутил фосфат и някои други вещества допълнително се пречиства до желаните условия. След това това вещество кристализира (или се утаява пероксид UO 4 ·2H 2 O) и започва внимателно да се запалва. В резултат на тази операция се образува уранов триоксид UO 3, който се редуцира до UO 2 .

Това вещество е предпоследното по пътя от руда към метал. При температури от 430 до 600 ° C, той реагира със сух флуороводород и се превръща в UF 4 тетрафлуорид. От това съединение обикновено се получава метален уран. Получавайте с помощта или обикновено.

Физически свойства

Уранът е много тежък, сребристо-бял, лъскав метал. В чиста форма той е малко по-мек от стоманата, ковък, гъвкав и има леки парамагнитни свойства. Уранът има три алотропни форми: алфа (призматична, стабилна до 667,7 °C), бета (четириъгълна, стабилна от 667,7 до 774,8 °C), гама (с центрирана върху тялото кубична структура, съществуваща от 774,8 °C до точката на топене ).

Химични свойства

Химическата активност на металния уран е висока. Във въздуха той се покрива с преливащ се филм. Прахообразен уран, той се запалва спонтанно при температура 150-175 °C. При изгарянето на урана и термичното разлагане на много от неговите съединения във въздуха се образува уранов оксид U 3 O 8. Ако този оксид се нагрее в атмосферата при температури над 500 °C, се образува UO 2. Когато урановите оксиди се сливат с оксиди на други метали, се образуват уранати: K 2 UO 4 (калиев уранат), CaUO 4 (калциев уранат), Na 2 U 2 O 7 (натриев диуранат).

Приложение

Ядрено гориво

Уран 235 U има най-голямо приложение, при което е възможно самоподдържане. Следователно този изотоп се използва като гориво в, както и в (критична маса от около 48 kg). Изолирането на изотопа U 235 от естествен уран е сложен технологичен проблем (виж). Изотопът U 238 е способен да се раздели под въздействието на бомбардиране с високоенергийни неутрони, тази характеристика се използва за увеличаване на мощността (използват се неутрони, генерирани от термоядрена реакция). В резултат на улавяне на неутрони, последвано от β-разпад, 238 U може да се превърне в 239, който след това се използва като ядрено гориво.

Уран-233 изкуствено получен в реактори (чрез облъчване с неутрони и превръщане в и след това в уран-233) е ядрено гориво за атомни електроцентрали и производството на атомни бомби (критична маса около 16 кг). Уран-233 е и най-обещаващото гориво за газофазни ядрени ракетни двигатели.

Други приложения

• Малка добавка на уран придава красив зеленикаво-жълт оттенък на стъклото.
• Уран-235 карбид в сплав с ниобиев карбид и циркониев карбид се използва като гориво за ядрени реактивни двигатели (работната течност е водород + хексан).
• Като мощни магнитострикционни материали се използват сплави от желязо и обеднен уран (уран-238).
• В началото на ХХ век уранил нитрате широко използван като вирусен агент за производство на цветни фотографски отпечатъци.

обеднен уран

След извличане на U-235 от естествен уран, останалият материал се нарича "обеднен уран", тъй като е обеднен в 235-ия изотоп. Според някои доклади около 560 000 тона обеднен уран хексафлуорид (UF 6) се съхраняват в Съединените щати. Обедненият уран е наполовина по-радиоактивен от естествения уран, главно поради отстраняването на U-234 от него. Тъй като основното използване на урана е производството на енергия, обеднен уран е безполезен продукт с ниска икономическа стойност.

Основната му употреба е свързана с високата плътност на урана и относително ниската му цена: използването му за радиационна защита (колкото и странно да изглежда) и като баласт в аерокосмически приложения, като например повърхности за управление на самолети. Всеки самолет съдържа 1500 кг обеднен уран за тази цел. Този материал се използва и във високоскоростни ротори за жироскопи, големи маховици, като баласт в космически спускащи се превозни средства и състезателни яхти, докато се пробиват нефтени кладенци.

Ядра от бронебойни снаряди

Най-известното използване на урана е като ядра за американски. При сливане с 2% или 0,75% и термична обработка (бързо закаляване на метал, загрят до 850 °C във вода или масло, допълнително задържане при 450 °C в продължение на 5 часа), металният уран става по-твърд и по-здрав (якост на опън е повече от 1600 МРа, докато този за чист уран е 450 МРа). В комбинация с високата му плътност, това прави закаления уранов слитък изключително ефективен инструмент за проникване на броня, подобен по ефективност на по-скъпия. Процесът на унищожаване на бронята е придружен от смилане на урановата заготовка на прах и нейното запалване във въздуха от другата страна на бронята. Около 300 тона обеднен уран остават на бойното поле по време на операция „Пустинна буря“ (предимно останки от снаряди от 30 мм оръдие GAU-8 на щурмови самолети А-10, всеки снаряд съдържа 272 г уранова сплав).

Такива снаряди са използвани от войските на НАТО в боевете в Югославия. След прилагането им беше обсъден екологичният проблем с радиационното замърсяване на територията на страната.

Обедненият уран се използва в съвременната танкова броня, като танка.

Физиологично действие

В микроколичества (10 -5 -10 -8%) се намира в тъканите на растения, животни и хора. Натрупва се в най-голяма степен от някои гъби и водорасли. Урановите съединения се абсорбират в стомашно-чревния тракт (около 1%), в белите дробове - 50%. Основните депа в тялото: далака и бронхо-белодробните. Съдържанието в органите и тъканите на хора и животни не надвишава 10-7 g.

Уран и неговите съединения токсичен. Особено опасни са аерозолите на урана и неговите съединения. За аерозоли на водоразтворими уранови съединения ПДК във въздуха е 0,015 mg/m 3 , за неразтворими форми на уран 0,075 mg/m 3 . Когато попадне в тялото, уранът действа върху всички органи, като обща клетъчна отрова. Молекулният механизъм на действие на урана е свързан със способността му да потиска активността. На първо място, те са засегнати (протеин и захар се появяват в урината,). При хронични случаи са възможни нарушения на хематопоезата и нервната система.

Добив на уран в света

Според "Червената книга на урана", издадена през 2005 г., са добити 41 250 тона уран (през 2003 г. - 35 492 тона). Според ОИСР в света има 440 търговски употреби, които консумират 67 000 тона уран годишно. Това означава, че производството му осигурява само 60% от потреблението му (останалата част се възстановява от стари ядрени бойни глави).

Производство по държави в тонове по съдържание на U за 2005-2006 г

Производство в Русия

Останалите 7% се получават чрез подземно излугване на CJSC Dalur () и OJSC Khiagda ().

Получените руди и уранов концентрат се преработват в Чепецкия механичен завод.

Вижте също

Връзки

Ядрените технологии до голяма степен се основават на използването на радиохимични методи, които от своя страна се основават на ядрено-физичните, физичните, химичните и токсичните свойства на радиоактивните елементи.

В тази глава се ограничаваме до кратко описание на свойствата на основните делящи се изотопи – уран и плутоний.

Уран

Уран ( уран) U - елемент от актинидната група, 7-0-ти период на периодичната система, Z=92, атомна маса 238,029; най-тежките от тези, които се срещат в природата.

Известни са 25 изотопа на урана, всички от които са радиоактивни. Най-лесният 217U (Tj/ 2 = 26 ms), най-тежкият 2 4 2 U (7 T J / 2 = i6,8 min). Има 6 ядрени изомера. В естествения уран има три радиоактивни изотопа: 2 s 8 и (99,2 739%, Ti/2 = 4,47109 l), 2 35U (0,7205%, G, / 2 = 7,04-109 години) и 2 34U (0,0056%, ти/ 2=2,48-swl). Специфичната радиоактивност на естествения уран е 2,48104 Bq, разделена почти наполовина между 2 34U и 288 U; 235U има малък принос (специфичната активност на изотопа 233 в естествения уран е 21 пъти по-малка от активността на 238U). Напречното сечение на улавяне на топлинни неутрони е 46, 98 и 2,7 barn за 2 zz, 2 35U и 2 3 8 U, съответно; напречно сечение на делене 527 и 584 барн за 2 zz и 2 s 8 и, съответно; естествена смес от изотопи (0,7% 235U) 4,2 плевня.

Раздел. 1. Ядрено-физични свойства 2 h9 Ri и 2 35С.

Раздел. 2. Улавяне на неутрони 2 35 С и 2 часа 8 С.

Шест изотопа на урана са способни на спонтанно делене: 282 U, 2 szy, 234U, 235U, 2 s 6 u и 2 s 8 u. Естествените изотопи 233 и 235U се делят под действието както на термични, така и на бързи неутрони, докато ядрата 238 и са способни да се разделят само при улавяне на неутрони с енергия над 1,1 MeV. Когато се улавят неутрони с по-ниска енергия, ядрата 288 U първо се превръщат в ядра 2 -i9U, които след това претърпяват p-разпад и преминават първо в 2 - "*9Np, а след това в 2 39Pu. Ефективни напречни сечения за улавяне на термични неутрони от 2 34U, 2 ядра 35U и 2 3 8 и са равни на 98, 683 и 2,7-barns, съответно. Пълното делене на 2 35U води до "еквивалент на топлинна енергия" от 2-107 kWh/kg. 2 35U и 2 zzy се използват като ядрено гориво, способно да поддържа верижна реакция на делене.

Ядрените реактори произвеждат n изкуствени изотопи на уран с масови числа 227-240, от които най-дълго живеещият е 233U (7 V 2 \u003d i.62 *io 5 години); получава се чрез неутронно облъчване на торий. Изотопи на уран с масови числа 239^257 се раждат в свръхмощните неутронни потоци на термоядрена експлозия.

Уран-232- техногенен нуклид, а-емитер, T x / 2=68,9 години, родителски изотопи 2 3 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) и 23 2 Pa(p), дъщерен нуклид 228 Th. Интензивността на спонтанното делене е 0,47 деления / s kg.

Уран-232 се образува в резултат на следните разпадания:

P + - разпад на нуклида * 3 a Np (Ti / 2 \u003d 14,7 минути):

В ядрената промишленост 2 3 2 U се произвежда като страничен продукт при синтеза на делящия се (оръжейен) нуклид 2 33 в горивния цикъл на тория. При облъчване с 2 3 2 Th неутрони протича основната реакция:

и странична двуетапна реакция:

Производството на 232 U от торий става само на бързи неутрони (Е„>6 MeV). Ако в изходното вещество има 2 s°Th, тогава образуването на 2 3 2 U се допълва от реакцията: 2 s°Th + u-> 2 3'Th. Тази реакция протича върху термични неутрони. Поколение 2 3 2 U е нежелателно поради редица причини. Потиска се чрез използването на торий с минимална концентрация от 23°Th.

Разпадането на 2 от 2 се случва в следните посоки:

Разпад в 228 Th (вероятност 100%, енергия на разпадане 5,414 MeV):

енергията на излъчените a-частици е 5,263 MeV (в 31,6% от случаите) и 5,320 MeV (в 68,2% от случаите).

• - спонтанно делене (вероятност по-малка от ~ 12%);
• - клъстерен разпад с образуването на нуклида 28 Mg (вероятността от разпад е по-малка от 5 * 10 "12%):

Разпад на клъстера с образуването на нуклид 2

Уран-232 е предшественик на дълга верига на разпад, която включва нуклиди - излъчватели на твърди y-кванти:

^U-(3,64 дни, a, y)-> 220 Rn-> (55,6 s, a)-> 21b Po->(0,155 s, a)-> 212 Pb->(10,64 h, p, y) - > 212 Bi -> (60,6 m, p, y) -> 212 Po a, y) -> 208x1, 212 Po -> (3" 10' 7 s, a) -> 2o8 Pb (пробка), 2o8 T1 - > (3,06 m, p, y -> 2o8 Pb.

Натрупването на 2 3 2 U е неизбежно при производството на 2 zzy в енергийния цикъл на тория. Интензивното y-лъчение, произтичащо от разпада на 2 3 2 U, пречи на развитието на енергията на тория. Необичайно е, че равномерният изотоп 2 3 2 11 има голямо напречно сечение на делене под действието на неутрони (75 barn за термични неутрони), както и високо сечение на улавяне на неутрони - 73 barn. 2 3 2 U се използва в метода на радиоактивните индикатори при химически изследвания.

2 z 2 и е предшественик на дълга верига на разпад (според схемата 2 z 2 Th), която включва нуклиди, излъчващи твърди y-кванти. Натрупването на 2 3 2 U е неизбежно при производството на 2 zzy в енергийния цикъл на тория. Интензивното γ-лъчение, произтичащо от разпада на 232 U, пречи на развитието на енергията на тория. Необичайно е, че равномерният изотоп 2 3 2 U има голямо напречно сечение на делене под действието на неутрони (75 barn за термични неутрони), както и голямо сечение на улавяне на неутрони - 73 barn. 2 3 2 U често се използва в метода на радиоактивните индикатори при химични и физични изследвания.

Уран-233- техногенен радионуклид, a-емитер (енергии 4,824 (82,7%) и 4,783 MeV (14,9%)), TVi= 1,585105 години, родителски нуклиди 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +) -> 2 33Pa(p), дъщерен нуклид 22 9Th. 2 zzi се получава в ядрени реактори от торий: 2 s 2 Th улавя неутрон и се превръща в 2 zz Th, който се разпада на 2 zz Pa и след това в 2 zz. Ядрата 2 zzi (нечетен изотоп) са способни както на спонтанно делене, така и на делене под действието на неутрони с всякаква енергия, което го прави подходящ за производството както на атомно оръжие, така и на реакторно гориво. Ефективното напречно сечение на делене е 533 barn, напречното сечение на улавяне е 52 barn, добивът на неутрони е 2,54 за събитие на делене и 2,31 за погълнат неутрон. Критичната маса от 2 zz е три пъти по-малка от критичната маса от 2 35U (-16 kg). Интензивността на спонтанното делене е 720 случая / s kg.

Уран-233 се образува в резултат на следните разпадания:

- (3 + -разпад на нуклид 2 33Np (7^=36,2 мин):

В промишлен мащаб 2 zzi се получават от 2 32Th чрез неутронно облъчване:

Когато неутронът се абсорбира, ядрото 234 обикновено се разделя, но понякога улавя неутрон, превръщайки се в 234U. Въпреки че 2 zzy, поглъщайки неутрон, обикновено се разделя, въпреки това понякога спестява неутрон, превръщайки се в 2 34U. Времето на работа от 2 zz се осъществява както в бързи, така и в термични реактори.

От гледна точка на оръжието, 2 zzi е сравнимо с 2 39 Pu: неговата радиоактивност е 1/7 от активността на 2 39 Pu (Ti/ 2 = 159200 l срещу 24100 l за Pu), критичната маса от 2 szi е с 6o% по-висока от тази на IgPu (16 kg срещу 10 kg), а скоростта на спонтанно делене е 20 пъти по-висока (b-u - ' срещу 310 10). Неутронният поток от 239Pu е 3 пъти по-висок от този от 239Pu. Създаването на ядрен заряд на базата на 2 sz изисква повече усилия, отколкото на ^Pu. Основната пречка е наличието на примеса 232U в 232U, чието y-лъчение на проектите за разпад затруднява работата с 2zzi и улеснява откриването на готови оръжия. В допълнение, краткият полуживот на 2 3 2 U го прави активен източник на a-частици. 2 zzi с 1% 232 и има 3 пъти по-силна a-активност от оръжейния плутоний и съответно по-голяма радиотоксичност. Тази а-активност причинява раждането на неутрони в светлинните елементи на заряда на оръжието. За да се сведе до минимум този проблем, присъствието на такива елементи като Be, B, F, Li трябва да бъде минимално. Наличието на неутронен фон не влияе на работата на имплозионните системи, но за схемите на оръжията се изисква високо ниво на чистота на леките елементи. zgi не е вреден и дори желателен, тъй като намалява възможността за използване на уран за оръжейни цели .След обработка на отработеното ядрено гориво и повторно използване на горивото съдържанието на 232U достига 0,1 + 0,2%.

Разпадането на 2 zzy се случва в следните посоки:

A-разпад в 22 9Th (вероятност 100%, енергия на разпадане 4,909 MeV):

енергията на излъчените n-частици е 4,729 MeV (в 1,61% от случаите), 4,784 MeV (в 13,2% от случаите) и 4,824 MeV (в 84,4% от случаите).

• - спонтанно делене (вероятност
• - клъстерен разпад с образуването на нуклида 28 Mg (вероятността от разпад е по-малка от 1,3*10 -13%):

Разпад на клъстера с образуването на нуклида 24 Ne (вероятност на разпад 7,3-10-“%):

Веригата на разпад 2 zz принадлежи към серията Neptunium.

Специфичната радиоактивност е 2 zzi 3,57-8 Bq/g, което съответства на a-активност (и радиотоксичност) от -15% плутоний. Само 1% 2 3 2 U повишава радиоактивността до 212 mCi/g.

Уран-234(Уран II, UII)е част от естествен уран (0,0055%), 2,445105 години, a-емитер (енергия на a-частици 4,777 (72%) и

4,723 (28%) MeV), родителски радионуклиди: 2 s 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

дъщерен изотоп в 2 s"t.

Обикновено 234 U е в равновесие с 2 3 8 u, като се разпада и образува със същата скорост. Приблизително половината от радиоактивността на естествения уран е приносът на 234U. Обикновено 234U се получава чрез йонообменна хроматография на стари препарати от чист 238 Pu. При a-разпад *34U се поддава на 234U, така че старите препарати на 238Pu са добри източници на 234U. 100 g 2s8Pu съдържат 776 mg 234U след една година, след 3 години

2,2 g 2 34U. Концентрацията на 2 34U в силно обогатен уран е доста висока поради преференциалното обогатяване с леки изотопи. Тъй като 234u е силен y-емитер, има ограничения за концентрацията му в урана, предназначен за преработка в гориво. Повишеното ниво на 234i е приемливо за реактори, но преработеният ОЯГ съдържа вече неприемливи нива на този изотоп.

Разпадът на 234u протича по следните линии:

A-разпад при 23°T (вероятност 100%, енергия на разпадане 4,857 MeV):

енергията на излъчените a-частици е 4,722 MeV (в 28,4% от случаите) и 4,775 MeV (в 71,4% от случаите).

• - спонтанно делене (вероятност 1,73-10-9%).
• - клъстерен разпад с образуването на нуклида 28 Mg (вероятността за разпад е 1,4-10 "n%, според други източници 3,9-10-"%):

• - разпад на клъстера с образуване на нуклиди 2 4Ne и 26 Ne (вероятността за разпад е 9-10 ", 2%, според други данни 2,3-10 - 11%):

Единственият изомер 2 34ti е известен (Tx/2 = 33,5 μs).

Напречното сечение на поглъщане на 2 34U термични неутрона е 10 barn, а за резонансния интеграл, осреднен за различни междинни неутрони, 700 barn. Следователно в реакторите с термични неутрони той се превръща в делящ се 235U с по-бърза скорост, отколкото много повече 238U (с напречно сечение 2,7 barn) се превръща в 2 s9Pu. В резултат на това SNF съдържа по-малко 234U от прясното гориво.

Уран-235принадлежи към семейството 4P + 3, способен е да произвежда верижна реакция на делене. Това е първият изотоп, върху който е открита реакцията на принудително делене на ядра под действието на неутрони. Поглъщайки неутрон, 235U преминава в 2 zbi, които са разделени на две части, освобождавайки енергия и излъчвайки няколко неутрона. Разделящ се от неутрони с всякаква енергия, способен на спонтанно делене, изотопът 2 35U е част от естествен утан (0,72%), a-емитер (енергии 4,397 (57%) и 4,367 (18%) MeV), Ti/j=7,038-ти 8 години, изходни нуклиди 2 35Pa, 2 35Np и 2 39Pu, дъщерна - 23"Th. Интензитетът на спонтанно делене 2 3su 0,16 деления/s kg. Разделянето на едно ядро ​​2 35U освобождава 200 MeV енергия = 3,2 Yu p J, т.е. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Напречното сечение на делене от термични неутрони е 545 барна, а от бързи неутрони - 1,22 барна, добив на неутрони: за събитие на делене - 2,5, за погълнат неутрон - 2,08.

Коментирайте. Напречното сечение на улавяне на бавни неутрони за образуване на изотоп 2 si (10 barn), така че общото напречно сечение на абсорбция на бавни неутрони е 645 barn.

• - спонтанно делене (вероятност 7*10~9%);
• - клъстерно разпадане с образуване на нуклиди 2 °Ne, 2 5Ne и 28 Mg (вероятностите са съответно 8-io - 10%, 8-kg 10%, 8 * 10 ".0%):

Ориз. един.

Единственият известен изомер е 2 35n»u (7/2 = 26 минути).

Специфична активност 2 35C 7.77-u 4 Bq/g. Критичната маса на оръжейния уран (93,5% 2 35U) за топка с рефлектор е 15-7-23 кг.

Деление 2 » 5U се използва в атомни оръжия, за производство на енергия и за синтеза на важни актиниди. Верижната реакция се поддържа поради излишъка от неутрони, произведени по време на деленето на 2 35C.

Уран-236се среща на Земята в природата в следи (на Луната е повече), a-емитер (?

Ориз. 2. Радиоактивно семейство 4/7+2 (включително -3 8 и).

В атомен реактор 233 абсорбира термичен неутрон, след което се разделя с вероятност 82% и излъчва y-квант с вероятност 18% и се превръща в 236 и . В малки количества е част от прясното гориво; се натрупва, когато уранът се облъчва с неутрони в реактора и следователно се използва като „сигнално устройство“ за ОЯГ. 2 h b и се образува като страничен продукт при отделянето на изотопи чрез газообразна дифузия по време на регенерацията на отработено ядрено гориво. 236 U, произведен в силовия реактор, е неутронна отрова; присъствието му в ядреното гориво се компенсира с високо ниво на обогатяване с 2 35U.

2b и се използва като индикатор за смесване на океански води.

уран-237,T&= 6,75 дни, бета и гама емитер, могат да бъдат получени чрез ядрени реакции:

Откриване 287 и се извършва по линии с eu= o.v MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)

237U се използва в метода на радиоактивните маркери при химически изследвания. Измерването на концентрацията (2 4°Am) в опадите от тест за атомно оръжие дава ценна информация за вида на заряда и използваното оборудване.

Уран-238- принадлежи към семейството 4P + 2, делящ се с високоенергийни неутрони (повече от 1,1 MeV), способен на спонтанно делене, формира основата на естествен уран (99,27%), a-емитер, 7'; /2=4>468-109 години, директно се разлага до 2 34Th, образува редица генетично свързани радионуклиди и след 18 продукта се превръща в 206 Pb. Pure 2 3 8 U има специфична радиоактивност от 1,22-104 Bq. Периодът на полуразпад е много дълъг - около 10 16 години, така че вероятността от делене по отношение на основния процес - излъчването на а-частица - е само 10 "7. Един килограм уран дава само 10 спонтанни деления на второ и в същото време една a-частица излъчва 20 милиона ядра Основни нуклиди: 2 4 2 Pu(a), *spa(p-) 234Th, дъщеря Т,/ 2 = 2 :i 4 ти

Уран-238 се образува в резултат на следните разпадания:

2 (V0 4) 2] 8Н 2 0. От вторичните минерали често се среща хидратиран калциев уранил фосфат Ca (U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Често уранът в минералите е придружен от други полезни елементи - титан , тантал, редкоземни елементи. Поради това е естествено да се стремим към сложна преработка на урансъдържащи руди.

Основни физични свойства на урана: атомна маса 238.0289 a.m.u. (g/mol); атомен радиус 138 pm (1 pm = 12 m); енергия на йонизация (първи електрон 7,11 eV; електронна конфигурация -5f36d‘7s 2; степени на окисление 6, 5, 4, 3; G P l \u003d 113 2, 2 °; Т т,1=3818°; плътност 19,05; специфичен топлинен капацитет 0,115 JDKmol); якост на опън 450 MPa, топлина на топене 12,6 kJ/mol, топлина на изпаряване 417 kJ/mol, специфичен топлинен капацитет 0,115 J/(mol-K); моларен обем 12,5 cm3/mol; характеристичната температура на Дебай © D = 200K, температурата на преход към свръхпроводящо състояние е 0,68K.

Уранът е тежък, сребристо-бял, лъскав метал. Той е малко по-мек от стоманата, ковък, гъвкав, има леки парамагнитни свойства и е пирофорен в прахообразно състояние. Уранът има три алотропни форми: алфа (ромбична, a-U, параметри на решетката 0=285, b= 587, c=49b pm, стабилен до 667,7°), бета (тетрагонален, p-U, стабилен от 667,7 до 774,8°), гама (с кубична решетка, центрирана по тялото, y-U, съществуваща от 774,8° до точки на топене, frm ii34 0), при което уранът е най-ковък и удобен за обработка.

При стайна температура ромбичната а-фаза е стабилна, призматичната структура се състои от вълнообразни атомни слоеве, успоредни на равнината abc,в изключително асиметрична призматична решетка. В рамките на слоевете атомите са тясно свързани, докато силата на връзките между атомите на съседните слоеве е много по-слаба (фиг. 4). Тази анизотропна структура затруднява стопяването на урана с други метали. Само молибденът и ниобият създават твърдотелни сплави с уран. И все пак металният уран може да взаимодейства с много сплави, образувайки интерметални съединения.

В интервала 668 ^ 775 ° има (3-уран. Решетка от тетрагонален тип има слоеста структура със слоеве, успоредни на равнината абв позиции 1/4С, 1/2 си 3/4C единична клетка. При температури над 775°, у-уранът се образува с центрирана по тялото кубична решетка. Добавянето на молибден прави възможно y-фазата да бъде при стайна температура. Молибденът образува широка гама от твърди разтвори с y-уран и стабилизира y-фазата при стайна температура. y-уранът е много по-мек и по-ковък от крехките a- и (3-фази.

Неутронното облъчване оказва значително влияние върху физико-механичните свойства на урана, причинявайки увеличаване на размера на пробата, промяна във формата, както и рязко влошаване на механичните свойства (пълзене, крехкост) на урановите блокове по време на работа на ядрен реактор. Увеличаването на обема се дължи на натрупването в уран по време на делене на примеси на елементи с по-ниска плътност (превод 1% уран във фрагментиращи елементи увеличава обема с 3,4%).

Ориз. 4. Някои кристални структури на урана: a - a-уран, b - p-уран.

Най-често срещаните методи за получаване на уран в метално състояние са редуцирането на неговите флуориди с алкални или алкалоземни метали или електролизата на техните солни стопилки. Уранът може да се получи и чрез металотермична редукция от карбиди с волфрам или тантал.

Способността за лесно даряване на електрони определя редукционните свойства на урана и неговата висока химическа активност. Уранът може да взаимодейства с почти всички елементи, с изключение на благородните газове, докато придобива степени на окисление +2, +3, +4, +5, +6. В разтвор основната валентност е 6+.

Бързо окисляващ се във въздуха, металният уран е покрит с преливащ се оксиден филм. Фин прах от уран се запалва спонтанно във въздуха (при температури 1504-175°), образувайки и;) Ов. При 1000° уранът се комбинира с азот, за да образува жълт уранов нитрид. Водата е в състояние да реагира бавно с метала при ниски температури и бързо при високи температури. Уранът реагира бурно с вряща вода и пара, за да освободи водород, който образува хидрид с урана.

Тази реакция е по-интензивна от изгарянето на уран в кислород. Подобна химическа активност на урана налага защитата на урана в ядрените реактори от контакт с вода.

Уранът се разтваря в солна, азотна и други киселини, образувайки U(IV) соли, но не взаимодейства с алкали. Уранът измества водорода от неорганични киселини и солеви разтвори на метали като живак, сребро, мед, калай, платина и злато. При силно разклащане металните частици на урана започват да светят.

Характеристиките на структурата на електронните обвивки на урановия атом (наличието на ^/-електрони) и някои от неговите физикохимични свойства служат като основа за класифициране на урана като актинид. Съществува обаче химическа аналогия между урана и Cr, Mo и W. Уранът е силно реактивен и реагира с всички елементи, с изключение на благородните газове. В твърдата фаза, примери за U(VI) са уранил триоксид U0 3 и уранил хлорид U0 2 C1 2 . Уранов тетрахлорид UC1 4 и уранов диоксид U0 2

U(IV) примери. Веществата, съдържащи U(IV), обикновено са нестабилни и стават шествалентни при продължително излагане на въздух.

В системата уран-кислород са инсталирани шест оксида: UO, U0 2 , U 4 0 9 и 3 Ov, U0 3 . Те се характеризират с широка област на хомогенност. U0 2 е основен оксид, докато U0 3 е амфотерен. U0 3 - взаимодейства с водата, за да образува редица хидрати, най-важните от които са диуроновата киселина H 2 U 2 0 7 и урановата киселина H 2 1U 4. С алкали U0 3 образува соли на тези киселини - уранати. Когато U0 3 се разтваря в киселини, се образуват соли на двойно заредения уранилов катион U0 2 a+.

Урановият диоксид, U0 2 , е кафяв в стехиометричен състав. С увеличаване на съдържанието на кислород в оксида цветът се променя от тъмнокафяв до черен. Кристална структура от тип CaF 2, а = 0,547 nm; плътност 10,96 g / cm "* (най-високата плътност сред урановите оксиди). , pl \u003d 2875 0, T kn „ \u003d 3450 °, D # ° 298 \u003d -1084,5 kJ / mol. Урановият диоксид е полупроводник с дупкова проводимост, силен парамагнит. MAC = 0,015 mg/m3. Да не се разтваря във вода. При температура от -200° добавя кислород, достигайки състав U0 2>25.

Уранов (IV) оксид може да се получи чрез реакции:

Урановият диоксид проявява само основни свойства, той съответства на основния хидроксид U (OH) 4, който след това се превръща в хидратиран хидроксид U0 2 H 2 0. Урановият диоксид бавно се разтваря в силни неокисляващи киселини в отсъствието на атмосферен кислород, за да образува W + йони:

U0 2 + 2H 2 S0 4 ->U(S0 4) 2 + 2Н 2 0. (38)

Той е разтворим в концентрирани киселини и скоростта на разтваряне може да се увеличи значително чрез добавяне на флуорен йон.

При разтваряне в азотна киселина се образува уранилният йон 1U 2 2+:

Триуранов октоксид U 3 0s (уранов оксид) - прах, чийто цвят варира от черен до тъмнозелен; при силно смачкване - маслиненозелен цвят. Големи черни кристали оставят зелени щрихи върху порцелан. Има три известни кристални модификации на U 3 0 h: a-U3C>8 - ромбична кристална структура (sp. gr. C222; 0=0,671 nm; 6=1,197 nm; c=0,83 nm; д =0,839 nm); p-U 3 0e - ромбична кристална структура (пространствена група Stst; 0=0,705 nm; 6=1,172 nm; 0=0,829 nm. Началото на разлагането е 100° (преминава до 110 2), MPC = 0,075 mg / m3.

U 3 C>8 може да се получи чрез реакцията:

Чрез калциниране на U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 или (NH 4) 2 U 2 0 7 при 750 0 във въздух или в кислородна атмосфера ( p = 150 + 750 mm Hg) получават стехиометрично чист U 3 08.

Когато U 3 0s се калцинира при T > 100°, той се редуцира до 110 2, но при охлаждане на въздух се връща до U 3 0s. U 3 0e се разтваря само в концентрирани силни киселини. В солната и сярната киселини се образува смес от U(IV) и U(VI), а в азотната киселина се образува уранилнитрат. Разредените сярна и солна киселина реагират много слабо с U 3 Os дори при нагряване, добавянето на окислители (азотна киселина, пиролузит) рязко увеличава скоростта на разтваряне. Концентрираната H 2 S0 4 разтваря U 3 Os с образуването на U(S0 4) 2 и U0 2 S0 4 . Азотната киселина разтваря U 3 Oe с образуването на уранил нитрат.

Уранов триоксид, U0 3 - кристално или аморфно вещество с ярко жълт цвят. Реагира с вода. MPC \u003d 0,075 mg / m 3.

Получава се чрез калциниране на амониев полиуранат, уранов пероксид, уранил оксалат при 300-500 ° и хексахидрат уранил нитрат. В този случай се образува оранжев прах с аморфна структура с плътност

6,8 g/cm. Кристалната форма IO3 може да бъде получена чрез окисляване на U308 при температури от 450°-750° в кислороден поток. Има шест кристални модификации на U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 е хигроскопичен и се превръща във влажен въздух в уранил хидроксид. По-нататъшното нагряване до 6oo° прави възможно получаването на U 3 Os.

Водород, амоняк, въглерод, алкални и алкалоземни метали редуцират U0 3 до U0 2 . При преминаване на смес от газове HF и NH 3 се образува UF 4. В най-високата валентност уранът проявява амфотерни свойства. Под действието на U0 3 киселини или неговите хидрати се образуват уранилни соли (U0 2 2+), оцветени в жълто-зелено:

Повечето уранилни соли са силно разтворими във вода.

С алкали, когато се сливат, U0 3 образува соли на урановата киселина - уранати MDKH,:

С алкални разтвори урановият триоксид образува соли на полиурановите киселини - полиуранати dgM 2 0y110 3 pH^O.

Солите на урановата киселина са практически неразтворими във вода.

Киселинните свойства на U(VI) са по-слабо изразени от основните.

Уранът реагира с флуор при стайна температура. Стабилността на по-високите халогениди намалява от флуориди към йодиди. Флуоридите UF 3 , U4F17, U2F9 и UF 4 са нелетливи, а UFe е летлив. Най-важните от флуоридите са UF 4 и UFe.

Ftpppippyanir okgilya t "yanya ppptrkart на практика:

Реакцията в кипящ слой се извършва съгласно уравнението:

Възможно е да се използват флуориращи агенти: BrF 3, CC1 3 F (фреон-11) или CC1 2 F 2 (фреон-12):

Уранов (1U) флуорид UF 4 ("зелена сол") - прах от синкаво-зелен до смарагдов цвят. G 11L \u003d SW6 °; G до, ",. \u003d -1730 °. DYa ° 29 8 = 1856 kJ / mol. Кристалната структура е моноклинна (sp. gp C2/c; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p \u003d 12b ° 20 "; плътност 6,72 g / cm3. UF 4 е стабилно, неактивно, нелетливо съединение, слабо разтворимо във вода. Най-добрият разтворител за UF 4 е димящата перхлорна киселина HC10 4. Разтваря се в окислителни киселини за образуване на уранилна сол бързо се разтваря в горещ разтвор на Al(N0 3) 3 или A1C1 3 , както и в разтвор на борна киселина, подкиселена с H 2 S0 4 , HC10 4 или HC1. или борна киселина, също допринасят за разтварянето на UF 4. Образува редица трудноразтворими двойни соли с флуориди на други метали (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 и др.) NH 4 UF 5 е от промишлено значение.

U(IV) флуоридът е междинен продукт в препарата

както UF6, така и метален уран.

UF 4 може да се получи чрез реакции:

или чрез електролитна редукция на уранил флуорид.

Уран хексафлуорид UFe - при стайна температура кристали от слонова кост с висок коефициент на пречупване. Плътност

5,09 g/cm3, плътността на течния UFe е 3,63 g/cm3. Летяща връзка. Tvoag = 5^>5°> Gil=64,5° (под налягане). Налягането на наситените пари достига атмосферата при 560°. Енталпия на образуване на AR° 29 8 = -2116 kJ/mol. Кристалната структура е ромбична (sp. gr. Rpta; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=0,5207 nm; д 5,060 nm (250). ПДК - 0,015 mg / m3. От твърдо състояние UF6 може да сублимира от твърда фаза (сублимира) в газ, заобикаляйки течната фаза в широк диапазон от налягания. Топлина на сублимация при 50 0 50 kJ/mg. Молекулата няма диполен момент, така че UF6 не се асоциира. Пари UFr, - идеален газ.

Получава се чрез действието на флуора върху U от неговите съединения:

Освен реакции в газова фаза съществуват и реакции в течна фаза.

получаване на UF6 с помощта на халофлуориди, например

Има начин за получаване на UF6 без използването на флуор - чрез окисляване на UF 4:

UFe не реагира със сух въздух, кислород, азот и CO 2, но при контакт с вода, дори със следи от него, претърпява хидролиза:

Той взаимодейства с повечето метали, образувайки техните флуориди, което усложнява методите за съхранение. Подходящи съдове за работа с UF6 са: Ni, Monel и Pt при нагряване, тефлон, абсолютно сух кварц и стъкло, мед и алуминий при студ. При температури от 25 yuo 0 образува комплексни съединения с флуориди на алкални метали и сребро от типа 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Разтваря се добре в различни органични течности, неорганични киселини и във всички халогенни флуориди. Инертен към изсушаване 0 2 , N 2 , CO 2 , C1 2 , Br 2 . UFr се характеризира с редукционни реакции с повечето чисти метали. UF6 реагира енергично с въглеводороди и други органични вещества, така че затворените контейнери с UFe могат да експлодират. UF6 в диапазона 25 - 100° образува комплексни соли с флуориди на алкални и други метали. Това свойство се използва в технологията за селективно извличане на UF

Урановите хидриди UH 2 и UH 3 заемат междинна позиция между солеподобни хидриди и хидриди като твърди разтвори на водород в метал.

Когато уранът реагира с азот, се образуват нитриди. В системата U-N са известни четири фази: UN (уранов нитрид), a-U 2 N 3 (сесквинитрид), p-U 2 N 3 и ООН If90. Не е възможно да се достигне до състава на UN 2 (динитрид). Надеждни и добре контролирани са синтезите на уранов мононитрид UN, които най-добре се извършват директно от елементите. Урановите нитриди са прахообразни вещества, чийто цвят варира от тъмносив до сив; приличат на метал. UN има кубична лицево-центрирана кристална структура, като NaCl (0=4.8892 A); (/ = 14,324, 7 ^ = 2855 °, стабилен във вакуум до 1700 0. Получава се чрез взаимодействие на U или U хидрид с N 2 или NH 3 , разлагане на висши нитриди U при 1300 ° или тяхното редуциране с метален уран. U 2 N 3 е известен в две полиморфни модификации: кубична a и шестоъгълна p (0=0,3688 nm, 6=0,5839 nm), освобождава N 2 във вакуум над 8oo°. Получава се чрез редукция на UN 2 с водород. Динитрид UN 2 се синтезира чрез реакцията на U с N 2 при високо налягане N 2 . Урановите нитриди са лесно разтворими в киселини и алкални разтвори, но се разлагат с разтопени основи.

Урановият нитрид се получава чрез двуетапна карботермична редукция на уранов оксид:

Нагряване в аргон при 7M450 0 за 10 * 20 часа

Възможно е да се получи уранов нитрид със състав, близък до динитрид, UN 2, чрез действието на амоняк върху UF 4 при висока температура и налягане.

Урановият динитрид се разлага при нагряване:

Урановият нитрид, обогатен с 2 35U, има по-висока плътност на делене, топлопроводимост и точка на топене от урановите оксиди, традиционното гориво на съвременните енергийни реактори. Освен това има добра механична и стабилност, надхвърляща традиционното гориво. Следователно това съединение се счита за обещаваща основа за реактори с бързи неутрони на ядрено гориво (ядрени реактори от поколение IV).

Коментирайте. ООН е много полезно да се обогатява на ‘5N, т.к ,4 N има тенденция да улавя неутрони, генерирайки радиоактивния изотоп 14 C чрез (n, p) реакция.

Урановият карбид UC 2 (?-фаза) е светлосиво кристално вещество с метален блясък. В системата U-C (уранови карбиди) има UC 2 (?-фаза), UC 2 (b 2-фаза), U 2 C 3 (е-фаза), UC (b 2-фаза) - уранови карбиди. Уранов дикарбид UC 2 може да се получи чрез реакциите:

U + 2C ^ UC 2 (54v)

Урановите карбиди се използват като гориво за ядрени реактори, перспективни са като гориво за космически ракетни двигатели.

Уранил нитрат, уранил нитрат, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Ролята на метала в тази сол играе уранилният катион 2+. Жълти кристали със зеленикав блясък, лесно разтворими във вода. Водният разтвор е кисел. Разтворим в етанол, ацетон и етер, неразтворим в бензен, толуен и хлороформ. При нагряване кристалите се топят и отделят HN0 3 и H 2 0. Кристалният хидрат лесно се ерозира във въздуха. Характерна реакция е, че под действието на NH 3 се образува жълта утайка от амониев урат.

Уранът е в състояние да образува метални органични съединения. Примери са циклопентадиенилови производни от състава U(C5H5)4 и техните халогенирани u(C5H5)3G или u(C5H5)2G2.

Във водните разтвори уранът е най-стабилен в степен на окисление U(VI) под формата на уранил йон U0 2 2+. В по-малка степен се характеризира с U(IV) състояние, но може дори да съществува в U(III) форма. Състоянието на окисление U(V) може да съществува като йон IO 2 +, но това състояние рядко се наблюдава поради тенденцията към диспропорциониране и хидролиза.

В неутрални и киселинни разтвори U(VI) съществува като U0 2 2+ - жълт уранилов йон. Добре разтворимите уранилни соли включват нитрат U0 2 (N0 3) 2, сулфат U0 2 S0 4, хлорид U0 2 C1 2, флуорид U0 2 F 2, ацетат U0 2 (CH 3 C00) 2. Тези соли се изолират от разтвори под формата на кристални хидрати с различен брой водни молекули. Слабо разтворими соли на уранил са: оксалат U0 2 C 2 0 4, фосфати U0 2 HP0. и UO2P2O4, амониев уранил фосфат UO2NH4PO4, натриев уранил ванадат NaU0 2 V0 4, фероцианид (фероцианид). Уранилният йон се характеризира със склонност към образуване на комплексни съединения. Така че са известни комплекси с флуорни йони от типа -, 4-; нитратни комплекси и 2 *; сулфатни комплекси 2" и 4-; карбонатни комплекси 4" и 2" и др. Под действието на алкали върху разтвори на уранилни соли се освобождават слабо разтворими утайки на диуранати от типа Me 2 U 2 0 7 (Me 2 U0 4 моноуранатите не се изолират от разтвори, те се получават чрез сливане на уранови оксиди с основи) Me 2 U n 0 3 n+i полиуранатите са известни (например Na 2 U60i 9).

U(VI) се редуцира в киселинни разтвори до U(IV) от желязо, цинк, алуминий, натриев хидросулфит и натриева амалгама. Разтворите са оцветени в зелено. Алкалните утаяват хидроксид и 0 2 (0H) 2 от тях, флуороводородна киселина - флуорид UF 4 -2,5H 2 0, оксалова киселина - оксалат U (C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Склонността към образуване на комплекси в U 4+ йон по-малко от този на уранилните йони.

Уранът (IV) в разтвор е под формата на U 4+ йони, които са силно хидролизирани и хидратирани:

Хидролизата се инхибира в киселинни разтвори.

Уран (VI) в разтвори образува уранил оксокация - U0 2 2+ Известни са множество уранилни съединения, примери за които са: U0 3, U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2, U0 2 C0 3 -2 (NH 4) 2 C0 3 U0 2 C0 3 , U0 2 C1 2 , U0 2 (0H) 2 , U0 2 (N0 3) 2 , UO0SO4, ZnU0 2 (CH 3 C00) 4 и др.

По време на хидролизата на уранилния йон се образуват редица многоядрени комплекси:

При по-нататъшна хидролиза се появява U 3 0s (0H) 2 и след това U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

За качествено откриване на уран се използват методи на химичен, луминесцентен, радиометричен и спектрален анализ. Химичните методи се основават главно на образуването на оцветени съединения (например червено-кафяв цвят на съединението с фероцианид, жълт с водороден прекис, син с арсеназо реагент). Луминесцентният метод се основава на способността на много уранови съединения да дават жълтеникаво-зеленикаво сияние под действието на UV лъчи.

Количественото определяне на урана се извършва по различни методи. Най-важните от тях са: обемни методи, състоящи се в редукция на U(VI) до U(IV), последвано от титруване с разтвори на окислители; тегловни методи - утаяване на уранати, пероксид, U(IV) купферранати, оксихинолат, оксалат и др. последвано от тяхното калциниране при 100° и тегло U 3 0s; полярографските методи в нитратен разтвор позволяват да се определят 10 x 7 x 10-9 g уран; множество колориметрични методи (например с Н 2 0 2 в алкална среда, с арсеназо реагент в присъствието на EDTA, с дибензоилметан, под формата на тиоцианат комплекс и др.); луминесцентен метод, който дава възможност да се определи кога е слят с NaF до ю 11 g уран.

235U принадлежи към група А на радиационна опасност, минимална значима активност MZA=3,7-10 4 Bq, 2 s 8 и - към група D, MZA=3,7-10 6 Bq (300 g).