De ce este uraniul și compușii săi periculoși? Uraniul, un element chimic: istoria descoperirii și reacția de fisiune nucleară.
Conținutul articolului
URANUS, U (uraniu), un element chimic metalic din familia actinidelor, care include Ac, Th, Pa, U și elementele transuraniu (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). ). Uraniul a devenit faimos pentru utilizarea sa în arme nucleare și energie nucleară. Oxizii de uraniu sunt, de asemenea, folosiți pentru a colora sticla și ceramica.
Găsirea în natură.
Conținutul de uraniu din scoarța terestră este de 0,003%, acesta apare în stratul de suprafață al pământului sub formă de patru tipuri de depozite. În primul rând, acestea sunt filoane de uraninit, sau smoală de uraniu (dioxid de uraniu UO 2), foarte bogate în uraniu, dar rare. Ele sunt însoțite de depozite de radiu, deoarece radiul este un produs direct al dezintegrarii izotopice a uraniului. Astfel de vene se găsesc în Zair, Canada (Marele Lac al Ursului), Republica Cehă și Franța. A doua sursă de uraniu sunt conglomeratele de toriu și minereu de uraniu, împreună cu minereurile din alte minerale importante. Conglomeratele conțin de obicei cantități suficiente de aur și argint pentru a fi extrase, iar uraniul și toriul devin elemente însoțitoare. Depozite mari de aceste minereuri se găsesc în Canada, Africa de Sud, Rusia și Australia. A treia sursă de uraniu sunt rocile sedimentare și gresiile bogate în mineralul carnotită (uranil vanadat de potasiu), care conține, pe lângă uraniu, o cantitate semnificativă de vanadiu și alte elemente. Astfel de minereuri se găsesc în statele vestice ale Statelor Unite. Șisturile fier-uraniu și minereurile fosfatice constituie a patra sursă de zăcăminte. Depozite bogate se găsesc în șisturile din Suedia. Unele minereuri de fosfat din Maroc și Statele Unite conțin cantități semnificative de uraniu, iar zăcămintele de fosfat din Angola și Republica Centrafricană sunt și mai bogate în uraniu. Majoritatea ligniților și unii cărbuni conțin de obicei impurități de uraniu. S-au găsit zăcăminte de lignit bogate în uraniu în Dakota de Nord și de Sud (SUA) și cărbuni bituminoși în Spania și Republica Cehă.
Deschidere.
Uraniul a fost descoperit în 1789 de chimistul german M. Klaproth, care a numit elementul în onoarea descoperirii planetei Uranus cu 8 ani mai devreme. (Klaproth a fost principalul chimist al timpului său; el a descoperit și alte elemente, inclusiv Ce, Ti și Zr.) De fapt, substanța obținută de Klaproth nu era uraniu elementar, ci o formă oxidată a acestuia, iar uraniul elementar a fost primul obţinut de chimistul francez E. .Peligot în 1841. Din momentul descoperirii până în secolul XX. uraniul nu a fost la fel de important ca astăzi, deși multe dintre proprietățile sale fizice, precum și masa și densitatea atomică, au fost determinate. În 1896, A. Becquerel a descoperit că sărurile de uraniu au radiații care luminează o placă fotografică în întuneric. Această descoperire i-a stimulat pe chimiști să cerceteze în domeniul radioactivității, iar în 1898 fizicienii francezi, soții P. Curie și M. Sklodowska-Curie, au izolat săruri ale elementelor radioactive poloniu și radiu, iar E. Rutherford, F. Soddy, C. Faience și alți oameni de știință au dezvoltat teoria dezintegrarii radioactive, care a pus bazele chimiei nucleare moderne și ale energiei nucleare.
Primele aplicații ale uraniului.
Deși radioactivitatea sărurilor de uraniu era cunoscută, minereurile sale în prima treime a acestui secol au fost folosite doar pentru a obține radiul însoțitor, iar uraniul a fost considerat un produs secundar nedorit. Utilizarea sa s-a concentrat mai ales în tehnologia ceramicii și în metalurgie; Oxizii de uraniu au fost folosiți pe scară largă pentru a colora sticla în culori de la galben pal la verde închis, ceea ce a contribuit la dezvoltarea producției de sticlă ieftină. Astăzi, produsele din aceste industrii sunt identificate ca fiind fluorescente sub lumină ultravioletă. În timpul Primului Război Mondial și la scurt timp după aceea, uraniul sub formă de carbură a fost folosit la fabricarea oțelurilor pentru scule, în mod similar cu Mo și W; 4-8% uraniu a înlocuit tungstenul, care era limitată în producție la acea vreme. Pentru a obține oțeluri de scule în anii 1914-1926, se produceau anual câteva tone de ferouraniu, care conțineau până la 30% (masă) U. Cu toate acestea, această utilizare a uraniului nu a durat mult.
Utilizarea modernă a uraniului.
Industria uraniului a început să se contureze în 1939, când a fost efectuată fisiunea izotopului de uraniu 235 U, ceea ce a dus la implementarea tehnică a reacțiilor controlate în lanț de fisiune a uraniului în decembrie 1942. Aceasta a fost nașterea erei atomului, când uraniul s-a transformat dintr-un element minor într-unul dintre cele mai importante elemente din societatea vieții. Importanța militară a uraniului pentru producerea bombei atomice și utilizarea sa ca combustibil în reactoarele nucleare a creat o cerere de uraniu care a crescut astronomic. O cronologie interesantă a creșterii cererii de uraniu se bazează pe istoria zăcămintelor din Great Bear Lake (Canada). În 1930, în acest lac a fost descoperită blenda de rășină, un amestec de oxizi de uraniu, iar în 1932 s-a stabilit în această zonă o tehnologie de purificare a radiului. Din fiecare tonă de minereu (gudron blendă), s-a obținut 1 g de radiu și aproximativ o jumătate de tonă de produs secundar - concentrat de uraniu. Cu toate acestea, radiul era rar și extracția sa a fost oprită. Din 1940 până în 1942, dezvoltarea a fost reluată și minereul de uraniu a fost expediat în Statele Unite. În 1949, a fost aplicată o purificare similară a uraniului, cu unele modificări, pentru a produce UO 2 pur. Această producție a crescut și este acum una dintre cele mai mari producții de uraniu.
Proprietăți.
Uraniul este unul dintre cele mai grele elemente găsite în natură. Metalul pur este foarte dens, ductil, electropozitiv, cu conductivitate electrică scăzută și foarte reactiv.
Uraniul are trei modificări alotropice: A-uraniul (rețea cristalină ortorombic), există în intervalul de la temperatura camerei până la 668 ° C; b- uraniu (o rețea cristalină complexă de tip tetragonal), stabil în intervalul 668–774 ° С; g- uraniu (rețea cristalină cubică centrată pe corp), stabil de la 774 ° C până la punctul de topire (1132 ° C). Deoarece toți izotopii uraniului sunt instabili, toți compușii săi prezintă radioactivitate.
Izotopi ai uraniului
238 U, 235 U, 234 U se găsesc în natură într-un raport de 99,3:0,7:0,0058 și 236U în urme. Toți ceilalți izotopi ai uraniului de la 226 U la 242 U sunt obținuți artificial. Izotopul 235 U este de o importanță deosebită. Sub acțiunea neutronilor lenți (termici), se împarte odată cu eliberarea de energie enormă. Fisiunea completă a 235 U are ca rezultat eliberarea unui „echivalent de energie termică” de 2h 10 7 kWh/kg. Fisiunea de 235 U poate fi folosită nu numai pentru a produce cantități mari de energie, ci și pentru a sintetiza alte elemente actinidice importante. Uraniul izotopic natural poate fi folosit în reactoarele nucleare pentru a produce neutroni produși prin fisiunea de 235 U, în timp ce excesul de neutroni care nu este necesar de reacția în lanț poate fi captat de un alt izotop natural, rezultând producția de plutoniu:
Când sunt bombardate cu 238 U de neutroni rapizi, apar următoarele reacții:
Conform acestei scheme, cel mai comun izotop 238 U poate fi transformat în plutoniu-239, care, la fel ca 235 U, este, de asemenea, capabil de fisiune sub acțiunea neutronilor lenți.
În prezent, s-a obținut un număr mare de izotopi artificiali ai uraniului. Printre acestea, 233 U este deosebit de remarcabil prin faptul că fisiune și atunci când interacționează cu neutronii lenți.
Unii alți izotopi artificiali ai uraniului sunt adesea folosiți ca etichete radioactive (trasori) în cercetarea chimică și fizică; este in primul rand b- emitator 237 U si A- emitator 232 U.
Conexiuni.
Uraniul, un metal foarte reactiv, are stări de oxidare de la +3 la +6, este aproape de beriliu în seria de activități, interacționează cu toate nemetalele și formează compuși intermetalici cu Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn și Zn. Uraniul fin divizat este deosebit de reactiv, iar la temperaturi peste 500°C intră adesea în reacții caracteristice hidrurii de uraniu. Uraniul cocoloaș sau așchii ard puternic la 700–1000°C, în timp ce vaporii de uraniu ard deja la 150–250°C; uraniul reacționează cu HF la 200–400°C, formând UF4 și H2. Uraniul se dizolvă lent în HF concentrat sau H 2 SO 4 și 85% H 3 PO 4 chiar și la 90 ° C, dar reacționează ușor cu conc. HCl și mai puțin activ cu HBr sau HI. Reacțiile uraniului cu HNO3 diluat și concentrat se desfășoară cel mai activ și rapid cu formarea nitratului de uranil ( vezi mai jos). În prezența HCl, uraniul se dizolvă rapid în acizi organici, formând săruri organice U 4+ . În funcție de gradul de oxidare, uraniul formează mai multe tipuri de săruri (cele mai importante dintre ele cu U 4+, una dintre ele UCl 4 este o sare verde ușor oxidabilă); sărurile de uranil (radical UO 2 2+) de tip UO 2 (NO 3) 2 sunt galbene și verde fluorescent. Sărurile de uranil se formează prin dizolvarea oxidului amfoter UO 3 (culoare galbenă) într-un mediu acid. Într-un mediu alcalin, UO 3 formează uranați de tip Na 2 UO 4 sau Na 2 U 2 O 7. Acest din urmă compus („uranil galben”) este utilizat pentru fabricarea glazurilor de porțelan și în producția de ochelari fluorescente.
Halogenurile de uraniu au fost studiate pe scară largă în anii 1940-1950, deoarece au stat la baza dezvoltării metodelor de separare a izotopilor de uraniu pentru o bombă atomică sau un reactor nuclear. Trifluorura de uraniu UF 3 a fost obţinută prin reducerea UF 4 cu hidrogen, iar tetrafluorura de uraniu UF 4 se obţine în diferite moduri prin reacţiile HF cu oxizi precum UO 3 sau U 3 O 8 sau prin reducerea electrolitică a compuşilor uranil. Hexafluorura de uraniu UF 6 se obţine prin fluorurarea U sau UF 4 cu fluor elementar sau prin acţiunea oxigenului asupra UF 4 . Hexafluorura formează cristale transparente cu un indice de refracție ridicat la 64°C (1137 mmHg); compusul este volatil (sublimează la 56,54 ° C în condiții normale de presiune). Oxohalogenurile de uraniu, de exemplu, oxofluorurile, au compoziţia UO 2 F 2 (fluorura de uranil), UOF 2 (difluorura de oxid de uraniu).
(după Pauling)
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V
| U | 92 |
| 238,0289 | |
| 5f 3 6d 1 7s 2 | |
| Uranus | |
Uranus(nume vechi Urania) este un element chimic cu număr atomic 92 în sistemul periodic, masa atomică 238,029; notat cu simbolul U ( Uraniu), aparține familiei actinidelor.
Poveste
Chiar și în antichitate (secolul I î.Hr.), oxidul de uraniu natural a fost folosit pentru a face glazură galbenă pentru ceramică. Cercetările privind uraniul au evoluat la fel ca reacția în lanț pe care o generează. La început, informațiile despre proprietățile sale, precum primele impulsuri ale unei reacții în lanț, au venit cu pauze lungi, de la caz la caz. Prima dată importantă din istoria uraniului este 1789, când filozoful și chimistul german Martin Heinrich Klaproth a restaurat „pământul” galben-auriu extras din minereul de rășină săsească într-o substanță asemănătoare metalului negru. În cinstea celei mai îndepărtate planete cunoscute atunci (descoperită de Herschel cu opt ani mai devreme), Klaproth, considerând noua substanță un element, a numit-o uraniu.
Timp de cincizeci de ani, uraniul lui Klaproth a fost considerat un metal. Abia în 1841, Eugene Melchior Peligot - chimist francez (1811-1890)] a dovedit că, în ciuda luciului metalic caracteristic, uraniul lui Klaproth nu este un element, ci un oxid. UO 2. În 1840, Peligo a reușit să obțină uraniu real, un metal greu de oțel gri și să-i determine greutatea atomică. Următorul pas important în studiul uraniului a fost făcut în 1874 de D. I. Mendeleev. Pe baza sistemului periodic pe care l-a dezvoltat, el a plasat uraniul în celula cea mai îndepărtată a tabelului său. Anterior, greutatea atomică a uraniului era considerată egală cu 120. Marele chimist a dublat această valoare. După 12 ani, predicția lui Mendeleev a fost confirmată de experimentele chimistului german Zimmermann.
Studiul uraniului a început în 1896: chimistul francez Antoine Henri Becquerel a descoperit accidental razele Becquerel, pe care Marie Curie le-a redenumit mai târziu radioactivitate. În același timp, chimistul francez Henri Moissan a reușit să dezvolte o metodă de obținere a uraniului metalic pur. În 1899, Rutherford a descoperit că radiația preparatelor de uraniu este neuniformă, că există două tipuri de radiații - razele alfa și beta. Ele poartă o sarcină electrică diferită; departe de aceeași gamă în substanță și capacitatea de ionizare. Puțin mai târziu, în mai 1900, Paul Villard a descoperit un al treilea tip de radiație - razele gamma.
Ernest Rutherford a efectuat în 1907 primele experimente pentru a determina vârsta mineralelor în studiul uraniului și toriului radioactiv pe baza teoriei radioactivității pe care a creat-o împreună cu Frederick Soddy (Soddy, Frederick, 1877-1956; Premiul Nobel pentru Chimie, 1921). În 1913, F. Soddy a introdus conceptul de izotopi(din grecescul ισος - „egal”, „același”, și τόπος - „loc”), iar în 1920 a prezis că izotopii ar putea fi folosiți pentru a determina vârsta geologică a rocilor. În 1928, Niggot și-a dat seama, iar în 1939, A.O.K. Nier (Nier, Alfred Otto Carl, 1911 - 1994) a creat primele ecuații pentru calcularea vârstei și a aplicat un spectrometru de masă pentru separarea izotopilor.
În 1939, Frederic Joliot-Curie și fizicienii germani Otto Frisch și Lisa Meitner au descoperit un fenomen necunoscut care are loc cu un nucleu de uraniu atunci când este iradiat cu neutroni. A avut loc o distrugere explozivă a acestui nucleu cu formarea de noi elemente mult mai ușoare decât uraniul. Această distrugere a fost de natură explozivă, fragmente de produse împrăștiate în diferite direcții cu viteze extraordinare. Astfel, a fost descoperit un fenomen numit reacție nucleară.
În 1939-1940. Yu. B. Khariton și Ya. B. Zel'dovich au arătat pentru prima dată teoretic că, cu o ușoară îmbogățire a uraniului natural cu uraniu-235, este posibil să se creeze condiții pentru fisiunea continuă a nucleelor atomice, adică conferă procesului un caracter în lanț.
Fiind în natură
minereu de uraninit
Uraniul este larg distribuit în natură. Uraniul clark este de 1,10 -3% (greutate). Cantitatea de uraniu dintr-un strat al litosferei de 20 km grosime este estimată la 1,3 10 14 tone.
Cea mai mare parte a uraniului se găsește în roci acide cu un conținut ridicat siliciu. O masă semnificativă de uraniu este concentrată în rocile sedimentare, în special cele îmbogățite în materie organică. Uraniul este prezent în cantități mari ca impuritate în toriu și mineralele pământurilor rare (ortita, sfenă CaTiO 3 , monazit (La,Ce)PO 4 , zircon ZrSiO 4 , xenotim YPO4 etc.). Cele mai importante minereuri de uraniu sunt smoala de gudron, uranitul și carnotita. Principalele minerale - sateliți ai uraniului sunt molibdenita MoS 2, galena PbS, cuarțul SiO 2, calcitul CaCO 3, hidromuscovit etc.
| Mineral | Compoziția principală a mineralului | Conținut de uraniu, % |
|---|---|---|
| uraninit | UO2, UO3 + Th02, CeO2 | 65-74 |
| Carnotite | K2(UO2)2(VO4)22H2O | ~50 |
| Cazolit | PbO2U03Si02H2O | ~40 |
| Samarskit | (Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn) 2 O 6 | 3.15-14 |
| brannerita | (U, Ca, Fe, Y, Th) 3 Ti 5 O 15 | 40 |
| Tuyamunit | CaO2UO3V2O5nH2O | 50-60 |
| zeynerit | Cu(UO2)2(AsO4)2nH2O | 50-53 |
| Otenită | Ca(U02)2(P04)2nH20 | ~50 |
| Schrekingerit | Ca3NaU02(C03)3S04(OH)9H2O | 25 |
| Ouranophanes | CaO UO22SiO26H2O | ~57 |
| fergusonit | (Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O 4 | 0.2-8 |
| Thorbernit | Cu(U02)2(P04)2nH20 | ~50 |
| coffinit | U(Si04) 1-x (OH) 4x | ~50 |
Principalele forme de uraniu găsite în natură sunt uranitul, pitchblenda (smoala de gudron) și negru de uraniu. Ele diferă doar prin formele de apariție; există o dependență de vârstă: uraninitul este prezent mai ales în antice (roci precambriene), pitchblenda - vulcanogenă și hidrotermală - în principal în formațiunile paleozoice și mai tinere de temperatură înaltă și medie; negru de uraniu - în principal în formațiuni tinere - cenozoice și mai tinere - în principal în roci sedimentare cu temperatură scăzută.
Conținutul de uraniu din scoarța terestră este de 0,003%, acesta apare în stratul de suprafață al pământului sub formă de patru tipuri de depozite. În primul rând, acestea sunt vene de uraninit, sau smoală de uraniu (dioxid de uraniu UO2), foarte bogate în uraniu, dar rare. Ele sunt însoțite de depozite de radiu, deoarece radiu este un produs direct al dezintegrarii izotopice a uraniului. Astfel de vene se găsesc în Zaire, Canada (Lacul Ursului Mare), Republica Cehăși Franţa. A doua sursă de uraniu sunt conglomeratele de toriu și minereu de uraniu, împreună cu minereurile din alte minerale importante. Conglomeratele conțin de obicei cantități suficiente pentru a fi extrase aurși argint, iar elementele însoțitoare sunt uraniul și toriu. Depozite mari de aceste minereuri se găsesc în Canada, Africa de Sud, Rusia și Australia. A treia sursă de uraniu sunt rocile sedimentare și gresiile bogate în mineralul carnotită (uranil vanadat de potasiu), care conține, pe lângă uraniu, o cantitate semnificativă de vanadiu si alte elemente. Astfel de minereuri se găsesc în statele vestice STATELE UNITE ALE AMERICII. Șisturile fier-uraniu și minereurile fosfatice constituie a patra sursă de zăcăminte. Depozite bogate găsite în șisturi Suedia. Unele minereuri de fosfat din Maroc și Statele Unite conțin cantități semnificative de uraniu și zăcăminte de fosfați în Angola iar Republica Centrafricană sunt și mai bogate în uraniu. Majoritatea ligniților și unii cărbuni conțin de obicei impurități de uraniu. Zăcăminte de lignit bogate în uraniu găsite în Dakota de Nord și de Sud (SUA) și cărbuni bituminoși Spaniași Republica Cehă
Izotopi ai uraniului
Uraniul natural este alcătuit dintr-un amestec de trei izotopi: 238 U - 99,2739% (timp de înjumătățire T 1/2 \u003d 4,468 × 10 9 ani), 235 U - 0,7024% ( T 1/2 \u003d 7,038 × 10 8 ani) și 234 U - 0,0057% ( T 1/2 = 2.455×10 5 ani). Ultimul izotop nu este primar, ci radiogenic; face parte din seria radioactivă 238 U.
Radioactivitatea uraniului natural se datorează în principal izotopilor 238 U și 234 U; în echilibru, activitățile lor specifice sunt egale. Activitatea specifică a izotopului 235 U în uraniul natural este de 21 de ori mai mică decât activitatea lui 238 U.
Există 11 izotopi radioactivi artificiali cunoscuți ai uraniului cu numere de masă de la 227 la 240. Cel mai longeviv dintre ei este 233 U ( T 1/2 \u003d 1,62 × 10 5 ani) se obține prin iradierea toriului cu neutroni și este capabil de fisiune spontană de neutroni termici.
Izotopii de uraniu 238 U și 235 U sunt progenitorii a două serii radioactive. Elementele finale ale acestor serii sunt izotopii conduce 206Pb și 207Pb.
În condiții naturale, izotopii sunt distribuiți în principal 234 U: 235 U : 238 U= 0,0054: 0,711: 99,283. Jumătate din radioactivitatea uraniului natural se datorează izotopului 234 U. Izotop 234 U format prin dezintegrare 238 U. Pentru ultimii doi, spre deosebire de alte perechi de izotopi și indiferent de capacitatea mare de migrare a uraniului, constanța geografică a raportului este caracteristică. Valoarea acestui raport depinde de vârsta uraniului. Numeroase măsurători naturale au arătat fluctuațiile sale nesemnificative. Deci, în rulouri, valoarea acestui raport în raport cu standardul variază între 0,9959 -1,0042, în săruri - 0,996 - 1,005. În mineralele cu conținut de uraniu (nasturan, uraniu negru, cirtolit, minereuri din pământuri rare), valoarea acestui raport variază între 137,30 și 138,51; de altfel, diferența dintre formele U IV și U VI nu a fost stabilită; în sfenă - 138,4. Deficiență de izotopi detectată la unii meteoriți 235 U. Cea mai scăzută concentrație în condiții terestre a fost găsită în 1972 de către cercetătorul francez Buzhigues în orașul Oklo din Africa (un zăcământ din Gabon). Astfel, uraniul normal conține 0,7025% uraniu 235 U, în timp ce în Oklo scade la 0,557%. Acest lucru a susținut ipoteza unui reactor nuclear natural care duce la arderea izotopilor, prezisă de George W. Wetherill de la Universitatea California din Los Angeles și Mark G. Inghram de la Universitatea din Chicago și Paul K. Kuroda, chimist la Universitatea din Arkansas, care a descris procesul încă din 1956. În plus, reactoare nucleare naturale au fost găsite în aceleași districte: Okelobondo, Bangombe și altele.În prezent, se cunosc aproximativ 17 reactoare nucleare naturale.
chitanta
Prima etapă a producției de uraniu este concentrarea. Roca este zdrobită și amestecată cu apă. Componentele substanței grele în suspensie se depun mai repede. Dacă roca conține minerale primare de uraniu, acestea precipită rapid: acestea sunt minerale grele. Mineralele secundare de uraniu sunt mai ușoare, caz în care roca sterilă grea se depune mai devreme. (Cu toate acestea, este departe de a fi întotdeauna gol; poate conține multe elemente utile, inclusiv uraniu).
Următoarea etapă este leșierea concentratelor, transferul uraniului în soluție. Aplicați leșiere acidă și alcalină. Primul este mai ieftin, deoarece acidul sulfuric este folosit pentru extragerea uraniului. Dar dacă în materie primă, ca, de exemplu, în uraniu gudron, uraniul este în stare tetravalentă, atunci această metodă nu este aplicabilă: uraniul tetravalent în acid sulfuric practic nu se dizolvă. În acest caz, trebuie fie recurgerea la leșierea alcalină, fie preoxidarea uraniului la starea hexavalentă.
Nu utilizați leșierea acidă și în cazurile în care concentratul de uraniu conține dolomit sau magnezit, reacționând cu acid sulfuric. În aceste cazuri, sodă caustică (hidroxid sodiu).
Problema leșierii uraniului din minereuri este rezolvată prin purjarea cu oxigen. Un flux de oxigen este alimentat într-un amestec de minereu de uraniu cu minerale sulfurate încălzit la 150 °C. În acest caz, acidul sulfuric se formează din minerale sulfuroase, care elimină uraniul.
În etapa următoare, uraniul trebuie izolat selectiv din soluția rezultată. Metodele moderne - extracția și schimbul de ioni - permit rezolvarea acestei probleme.
Soluția conține nu numai uraniu, ci și alți cationi. Unele dintre ele se comportă în anumite condiții la fel ca uraniul: sunt extrase cu aceiași solvenți organici, depuse pe aceleași rășini schimbătoare de ioni și precipită în aceleași condiții. Prin urmare, pentru izolarea selectivă a uraniului, trebuie să folosiți multe reacții redox pentru a scăpa de unul sau altul însoțitor nedorit în fiecare etapă. Pe rășinile schimbătoare de ioni moderne, uraniul este eliberat foarte selectiv.
Metode schimbul de ioni și extracția sunt bune și pentru că vă permit să extrageți destul de complet uraniul din soluții sărace (conținutul de uraniu este de zecimi de gram pe litru).
După aceste operațiuni, uraniul este transferat în stare solidă - într-unul dintre oxizi sau în tetrafluorură de UF 4. Dar acest uraniu trebuie încă purificat de impurități cu o secțiune transversală mare de captare termică a neutronilor - bor, cadmiu, hafniu. Conținutul lor în produsul final nu trebuie să depășească o sută de miimi și milioane de procente. Pentru a elimina aceste impurități, un compus de uraniu pur comercial este dizolvat în acid azotic. În acest caz, se formează azotat de uranil UO 2 (NO 3) 2 care, la extracția cu tributil fosfat și alte substanțe, este purificat suplimentar în condițiile dorite. Apoi această substanță se cristalizează (sau peroxidul precipitat UO 4 ·2H 2 O) și începe să se aprindă cu grijă. În urma acestei operațiuni, se formează trioxid de uraniu UO 3, care se reduce cu hidrogen la UO 2.
Dioxidul de uraniu UO 2 la o temperatură de 430 până la 600 ° C este tratat cu acid fluorhidric uscat pentru a obţine tetrafluorura UF 4 . Uraniul metalic este redus din acest compus folosind calciu sau magneziu.
Proprietăți fizice
Uraniul este un metal foarte greu, alb-argintiu, strălucitor. În forma sa pură, este puțin mai moale decât oțelul, maleabil, flexibil și are ușoare proprietăți paramagnetice. Uraniul are trei forme alotropice: alfa (prismatic, stabil până la 667,7 °C), beta (cadrangular, stabil de la 667,7 °C la 774,8 °C), gamma (cu o structură cubică centrată pe corp existentă de la 774, 8 °C până la 774,8 °C). punct de topire).
Proprietăți radioactive ale unor izotopi de uraniu (au fost izolați izotopi naturali):
Proprietăți chimice
Uraniul poate prezenta stări de oxidare de la +III la +VI. Compușii uraniului (III) formează soluții instabile roșii și sunt agenți reducători puternici:
4UCl 3 + 2H 2 O → 3UCl 4 + UO 2 + H 2
Compușii de uraniu (IV) sunt cei mai stabili și formează soluții apoase verzi.
Compușii uraniului (V) sunt instabili și ușor disproporționați în soluție apoasă:
2UO 2 Cl → UO 2 Cl 2 + UO 2
Din punct de vedere chimic, uraniul este un metal foarte activ. Oxidându-se rapid în aer, este acoperit cu o peliculă de oxid irizat. Pulberea fină de uraniu se aprinde spontan în aer, se aprinde la o temperatură de 150-175 °C, formând U 3 O 8 . La 1000 °C, uraniul se combină cu azotul pentru a forma nitrură de uraniu galbenă. Apa este capabilă să corodeze metalul, încet la temperaturi scăzute și rapid la temperaturi ridicate, precum și cu măcinarea fină a pulberii de uraniu. Uraniul se dizolvă în acizi clorhidric, nitric și alți acizi, formând săruri tetravalente, dar nu interacționează cu alcalii. Uranus se deplasează hidrogen din acizi anorganici si solutii sarate ale metalelor precum Mercur, argint, cupru, staniu, platinășiaur. Cu tremurări puternice, particulele de metal de uraniu încep să strălucească. Uraniul are patru stări de oxidare - III-VI. Compuşii hexavalenţi includ trioxid de uraniu (oxid de uranil) UO3 şi clorură de uraniu UO2CI2. Tetraclorura de uraniu UCl4 și dioxidul de uraniu UO2 sunt exemple de uraniu tetravalent. Substanțele care conțin uraniu tetravalent sunt de obicei instabile și se transformă în uraniu hexavalent la expunerea prelungită la aer. Sărurile de uranil, cum ar fi clorura de uranil, se descompun în prezența luminii puternice sau a substanțelor organice.
Aplicație
Combustibil nuclear
Are cea mai mare aplicație izotop uraniu 235 U, în care este posibilă o reacție nucleară în lanț auto-susținută. Prin urmare, acest izotop este folosit ca combustibil în reactoarele nucleare, precum și în armele nucleare. Separarea izotopului U 235 de uraniul natural este o problemă tehnologică complexă (vezi separarea izotopilor).
Izotopul U 238 este capabil de fisiune sub influența bombardamentelor cu neutroni de înaltă energie, această caracteristică este folosită pentru a crește puterea armelor termonucleare (se folosesc neutroni generați de o reacție termonucleară).
Ca rezultat al captării neutronilor urmată de dezintegrarea β, 238 U poate fi convertit în 239 Pu, care este apoi folosit ca combustibil nuclear.
Uraniul-233, produs artificial în reactoare din toriu (toriul-232 captează un neutron și se transformă în toriu-233, care se descompune în protactiniu-233 și apoi în uraniu-233), poate deveni în viitor un combustibil nuclear comun pentru energia nucleară. centrale (deja acum există reactoare care folosesc acest nuclid drept combustibil, de exemplu KAMINI în India) și producția de bombe atomice (masă critică de aproximativ 16 kg).
Uraniul-233 este, de asemenea, cel mai promițător combustibil pentru motoarele de rachete nucleare în fază gazoasă.
Geologie
Ramura principală a utilizării uraniului este determinarea vârstei mineralelor și rocilor pentru a clarifica succesiunea proceselor geologice. Acest lucru este realizat de Geocronologie și Geocronologie teoretică. Rezolvarea problemei amestecării și a surselor de materie este de asemenea esențială.
Rezolvarea problemei se bazează pe ecuațiile dezintegrarii radioactive, descrise de ecuații.
Unde 238 Uo, 235 Uo— concentrații moderne de izotopi de uraniu; ; — constante de dezintegrare atomi, respectiv, de uraniu 238 Uși 235 U.
Combinația lor este foarte importantă:
.Datorită faptului că rocile conțin concentrații diferite de uraniu, acestea au radioactivitate diferită. Această proprietate este utilizată în selecția rocilor prin metode geofizice. Această metodă este cea mai utilizată în geologia petrolului pentru exploatarea puțurilor, acest complex include în special înregistrarea γ sau gamma neutronică, înregistrarea gamma-gamma etc. Cu ajutorul lor, sunt identificate rezervoare și sigilii.
Alte aplicații
Un mic adaos de uraniu dă o frumoasă fluorescență galben-verzuie sticlei (sticlă de uraniu).
Uranatul de sodiu Na 2 U 2 O 7 a fost folosit ca pigment galben în pictură.
Compușii de uraniu au fost folosiți ca vopsele pentru vopsirea pe porțelan și pentru glazuri și emailuri ceramice (colorate în culori: galben, maro, verde și negru, în funcție de gradul de oxidare).
Unii compuși ai uraniului sunt fotosensibili.
La începutul secolului al XX-lea nitrat de uranil A fost folosit pe scară largă pentru a îmbunătăți negativele și a colora (nuanța) pozitive (printuri fotografice) maro.
Carbura de uraniu-235 într-un aliaj cu carbură de niobiu și carbură de zirconiu este folosită ca combustibil pentru motoarele cu reacție nucleare (fluidul de lucru este hidrogen + hexan).
Aliajele de fier și uraniu sărăcit (uraniu-238) sunt utilizate ca materiale magnetostrictive puternice.
uraniu sărăcit
uraniu sărăcit
După extracția 235U și 234U din uraniul natural, materialul rămas (uraniu-238) se numește „uraniu sărăcit” deoarece este sărăcit în izotopul 235. Potrivit unor rapoarte, aproximativ 560.000 de tone de hexafluorură de uraniu sărăcit (UF 6) sunt stocate în Statele Unite.
Uraniul sărăcit este la jumătate mai radioactiv decât uraniul natural, în principal datorită eliminării din acesta a 234 U. Datorită faptului că principala utilizare a uraniului este producerea de energie, uraniul sărăcit este un produs cu utilizare redusă, cu valoare economică scăzută.
Practic, utilizarea sa este asociată cu densitatea mare a uraniului și cu costul relativ scăzut al acestuia. Uraniul sărăcit este folosit pentru protecția împotriva radiațiilor (ironic) și ca balast în aplicații aerospațiale, cum ar fi suprafețele de control a aeronavelor. Fiecare aeronavă Boeing 747 conține 1.500 kg de uraniu sărăcit în acest scop. Acest material este, de asemenea, utilizat în rotoarele giroscopului de mare viteză, volantele mari, ca balast în vehiculele de coborâre în spațiu și iahturile de curse, în timpul forării puțurilor de petrol.
Miezuri de proiectile care străpung armura
Vârful (căptușeala) unui proiectil de calibrul 30 mm (tunurile GAU-8 ale aeronavei A-10) cu un diametru de aproximativ 20 mm din uraniu sărăcit.
Cea mai faimoasă utilizare a uraniului sărăcit este ca nuclee pentru proiectile care străpung armura. Atunci când este aliat cu 2% Mo sau 0,75% Ti și este tratat termic (stingerea rapidă a metalului încălzit la 850 °C în apă sau ulei, menținând în continuare la 450 °C timp de 5 ore), uraniul metalic devine mai dur și mai puternic decât oțelul (rezistența la tracțiune). este mai mare de 1600 MPa, în ciuda faptului că pentru uraniu pur este de 450 MPa). În combinație cu densitatea sa mare, acest lucru face din lingoul de uraniu întărit un instrument de penetrare a blindajului extrem de eficient, similar ca eficiență cu tungstenul mai scump. Vârful greu de uraniu modifică și distribuția masei în proiectil, îmbunătățind stabilitatea aerodinamică a acestuia.
Aliaje similare de tip Stabilla sunt utilizate în obuzele cu pene în formă de săgeată ale pieselor de artilerie de tancuri și antitanc.
Procesul de distrugere a armurii este însoțit de măcinarea lingoului de uraniu în praf și aprinderea lui în aer pe cealaltă parte a armurii (vezi Piroforicitate). Aproximativ 300 de tone de uraniu sărăcit au rămas pe câmpul de luptă în timpul Operațiunii Furtuna în Deșert (mai ales rămășițe de obuze de la tunul de 30 mm GAU-8 al aeronavei de atac A-10, fiecare carcasă conține 272 g de aliaj de uraniu).
Astfel de obuze au fost folosite de trupele NATO în luptele din Iugoslavia. După aplicarea acestora s-a discutat problema ecologică a contaminării cu radiații a teritoriului țării.
Pentru prima dată, uraniul a fost folosit ca miez pentru obuze în al Treilea Reich.
Uraniul sărăcit este folosit în armurile moderne ale tancurilor, cum ar fi tancul M-1 Abrams.
Acțiune fiziologică
În microcantități (10 -5 -10 -8%) se găsește în țesuturile plantelor, animalelor și oamenilor. Se acumulează în cea mai mare măsură de către unele ciuperci și alge. Compușii uraniului sunt absorbiți în tractul gastrointestinal (aproximativ 1%), în plămâni - 50%. Principalele depozite din organism: splina, rinichii, scheletul, ficatul, plămânii și ganglionii limfatici bronho-pulmonari. Conținutul în organe și țesuturi ale oamenilor și animalelor nu depășește 10-7 g.
Uraniu și compușii săi toxic. Aerosolii de uraniu și compușii săi sunt deosebit de periculoși. Pentru aerosolii compușilor de uraniu solubili în apă, MPC în aer este de 0,015 mg/m³, pentru formele insolubile de uraniu, MPC este de 0,075 mg/m³. Când intră în organism, uraniul acționează asupra tuturor organelor, fiind o otravă celulară generală. Mecanismul molecular de acțiune al uraniului este asociat cu capacitatea sa de a inhiba activitatea enzimelor. În primul rând sunt afectați rinichii (proteinele și zahărul apar în urină, oligurie). Cu intoxicația cronică, sunt posibile tulburări hematopoietice și ale sistemului nervos.
Producția pe țări în tone după conținutul de U pentru 2005–2006
Productia companiilor in 2006:
Cameco - 8,1 mii de tone
Rio Tinto - 7 mii de tone
AREVA - 5 mii de tone
Kazatomprom - 3,8 mii de tone
SA TVEL — 3,5 mii tone
BHP Billiton - 3 mii de tone
Navoi MMC - 2,1 mii tone ( Uzbekistan, Navoi)
Uraniu Unu - 1 mie de tone
Heathgate - 0,8 mii de tone
Minele Denison - 0,5 mii de tone
Productie in Rusia
În URSS, principalele regiuni de minereu de uraniu au fost Ucraina (zăcămintele Zheltorechenskoye, Pervomayskoye etc.), Kazahstan (zăcământul de minereu din nordul - Balkashinskoe etc.; Sudul - zăcământul de minereu Kyzylsay etc.; Vostochny; toate aparțin în principal). la tipul vulcanogen-hidrotermal); Transbaikalia (Antey, Streltsovskoye etc.); Asia Centrală, în principal Uzbekistan cu mineralizare în șisturi negre cu un centru în orașul Uchkuduk. Există multe apariții și manifestări mici de minereu. În Rusia, Transbaikalia a rămas principala regiune cu minereu de uraniu. Aproximativ 93% din uraniul rusesc este extras la zăcământul din regiunea Chita (lângă orașul Krasnokamensk). Exploatarea este efectuată de Asociația de minerit și chimie industrială Priargunsky (PIMCU), care face parte din JSC Atomredmetzoloto (Uranium Holding), folosind metoda minei.
Restul de 7% este obținut prin leșiere in situ de la ZAO Dalur (Regiunea Kurgan) și OAO Khiagda (Buriația).
Minereurile rezultate și concentratul de uraniu sunt procesate la Uzina Mecanică Chepetsk.
Exploatarea minieră în Kazahstan
Aproximativ o cincime din rezervele mondiale de uraniu sunt concentrate în Kazahstan (21% și locul 2 în lume). Resursele totale de uraniu sunt de aproximativ 1,5 milioane de tone, din care aproximativ 1,1 milioane de tone pot fi extrase prin levigare in situ.
În 2009, Kazahstanul a ajuns pe primul loc în lume în ceea ce privește exploatarea uraniului.
Producția în Ucraina
Principala întreprindere este Uzina de Mine și Procesare de Est din orașul Zhovti Vody.
Preț
În ciuda legendelor despre zeci de mii de dolari pentru cantități de kilograme sau chiar grame de uraniu, prețul său real pe piață nu este foarte mare - oxidul de uraniu nembogățit U 3 O 8 costă mai puțin de 100 de dolari SUA per kilogram. Acest lucru se datorează faptului că pentru a lansa un reactor nuclear pe uraniu neîmbogățit sunt necesare zeci sau chiar sute de tone de combustibil, iar pentru fabricarea armelor nucleare trebuie îmbogățită o cantitate mare de uraniu pentru a obține concentrații adecvate pentru crearea unui bombă.
URANUS (denumirea în cinstea planetei Uranus descoperită cu puțin timp înaintea sa; lat. uraniu * a. uraniu; n. Uran; f. uraniu; și. uranio), U, este un element chimic radioactiv din grupa III a sistemului periodic lui Mendeleev, numărul atomic 92, masa atomică 238,0289, se referă la actinide. Uraniul natural este format dintr-un amestec de trei izotopi: 238 U (99,282%, T 1/2 4,468,10 9 ani), 235 U (0,712%, T 1/2 0,704,10 9 ani), 234 U (0,006%, T 1/2 0.244.10 6 ani). Sunt cunoscuți și 11 izotopi radioactivi artificiali ai uraniului cu numere de masă de la 227 la 240.
Uraniul a fost descoperit în 1789 sub formă de UO 2 de către chimistul german M. G. Klaproth. Uraniul metalic a fost obținut în 1841 de chimistul francez E. Peligot. Multă vreme, uraniul a avut o utilizare foarte limitată și abia odată cu descoperirea radioactivității în 1896 a început studiul și utilizarea sa.
Proprietățile uraniului
În stare liberă, uraniul este un metal de culoare gri deschis; sub 667,7°C, se caracterizează printr-o rețea cristalină rombic (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) (a-modificare), în intervalul de temperatură 667,7-774°C - tetragonal (a = 1,0759). nm, c = 0,5656 nm; R-modificare), la o temperatură mai mare - rețea cubică centrată pe corp (a = 0,3538 nm, g-modificare). Densitate 18700 kg / m 3, topire t 1135 ° C, fierbere t aproximativ 3818 ° C, capacitate de căldură molară 27,66 J / (mol.K), rezistivitate electrică 29,0,10 -4 (Ohm.m), conductivitate termică 22, 5 W/(m.K), coeficient de temperatură de dilatare liniară 10.7.10 -6 K -1 . Temperatura de tranziție a uraniului la starea supraconductoare este de 0,68 K; paramagnet slab, susceptibilitate magnetică specifică 1.72.10 -6 . Nucleele 235 U și 233 U se fisionează spontan, precum și în timpul captării neutronilor lenți și rapidi, 238 U se fisionează numai în timpul captării neutronilor rapizi (mai mult de 1 MeV). Când neutronii lenți sunt capturați, 238 U se transformă în 239 Pu. Masa critică a uraniului (93,5% 235U) în soluții apoase este mai mică de 1 kg, pentru o minge deschisă de aproximativ 50 kg; pentru 233 U masa critică este de aproximativ 1/3 din masa critică de 235 U.
Educație și conținut în natură
Principalul consumator de uraniu este ingineria nucleară (reactoare nucleare, centrale nucleare). În plus, uraniul este folosit pentru a produce arme nucleare. Toate celelalte domenii de utilizare a uraniului au o importanță subordonată.
(după Pauling)
U←U 3+ -1,66V
U←U 2+ -0,1V
Poveste
Chiar și în antichitate (secolul I î.Hr.), uraniul natural a fost folosit pentru a face glazură galbenă pentru.
Uraniul a fost descoperit în 1789 de chimistul german Martin Heinrich Klaproth (Klaproth) în timp ce studia mineralul („gudron de uraniu”). A fost numit după el, descoperit în 1781. În stare metalică, uraniul a fost obținut în 1841 de chimistul francez Eugene Peligot în timpul reducerii UCl 4 cu potasiu metalic. uraniul a fost descoperit în 1896 de un francez. Inițial, 116 a fost atribuit uraniului, dar în 1871 a ajuns la concluzia că ar trebui dublat. După descoperirea elementelor cu numere atomice de la 90 la 103, chimistul american G. Seaborg a ajuns la concluzia că este mai corect să plasăm aceste elemente () în sistemul periodic în aceeași celulă cu elementul nr. 89. Acest aranjament se datorează faptului că subnivelul de electroni 5f este completat în actinide.
Fiind în natură
Uraniul este un element caracteristic pentru stratul de granit și învelișul sedimentar al scoarței terestre. Conținut în scoarța terestră 2,5 10 -4% din greutate. În apa de mare, concentrația de uraniu este mai mică de 10 -9 g/l; în total, apa de mare conține de la 109 la 1010 tone de uraniu. Uraniul nu se găsește în formă liberă în scoarța terestră. Sunt cunoscute aproximativ 100 de minerale de uraniu, cele mai importante dintre ele sunt U 3 O 8, uraninit (U,Th)O 2, minereu de rășină de uraniu (conține oxizi de uraniu de compoziție variabilă) și tuyamunita Ca [(UO 2) 2 (VO 4). ) 2] 8H 2 Oh
izotopi
Uraniul natural este format dintr-un amestec de trei izotopi: 238 U - 99,2739%, timpul de înjumătățire T 1 / 2 = 4,51-10 9 ani, 235 U - 0,7024% (T 1 / 2 = 7,13-10 8 ani) și 234 U - 0,0057% (T 1 / 2 \u003d 2,48 × 10 5 ani).
Există 11 izotopi radioactivi artificiali cunoscuți cu numere de masă de la 227 la 240.
Cel mai longeviv - 233 U (T 1 / 2 \u003d 1,62 10 5 ani) se obține prin iradierea toriului cu neutroni.
Izotopii de uraniu 238 U și 235 U sunt progenitorii a două serii radioactive.
chitanta
Prima etapă a producției de uraniu este concentrarea. Roca este zdrobită și amestecată cu apă. Componentele grele ale materiei în suspensie precipită mai repede. Dacă roca conține minerale primare de uraniu, acestea precipită rapid: acestea sunt minerale grele. Mineralele secundare ale elementului #92 sunt mai ușoare, în acest caz roca sterilă grea se depune mai devreme. (Cu toate acestea, este departe de a fi întotdeauna gol; poate conține multe elemente utile, inclusiv uraniu).
Următoarea etapă este leșierea concentratelor, transferul elementului nr. 92 în soluție. Aplicați leșiere acidă și alcalină. Primul este mai ieftin, deoarece uraniul este folosit pentru extracție. Dar dacă în materie primă, ca, de exemplu, în uraniu gudron, uraniul este în stare tetravalentă, atunci această metodă nu este aplicabilă: uraniul tetravalent în acid sulfuric este practic insolubil. Și fie trebuie să recurgeți la leșierea alcalină, fie să preoxidați uraniul la o stare hexavalentă.
Nu utilizați leșierea acidă și în cazurile în care concentratul de uraniu conține sau. Trebuie cheltuit prea mult acid pentru a le dizolva, iar în aceste cazuri este mai bine să folosiți ().
Problema scurgerii uraniului din este rezolvată prin purjarea cu oxigen. Un flux este alimentat într-un amestec de minereu de uraniu și minerale încălzit la 150 °C. În același timp, este format din minerale sulfuroase, care spăla uraniul.
În etapa următoare, uraniul trebuie izolat selectiv din soluția rezultată. Metodele moderne - și - permit rezolvarea acestei probleme.
Soluția conține nu numai uraniu, ci și altele. Unele dintre ele în anumite condiții se comportă la fel ca uraniul: sunt extrase cu aceiași solvenți, depuse pe aceleași rășini schimbătoare de ioni și precipită în aceleași condiții. Prin urmare, pentru izolarea selectivă a uraniului, trebuie să folosiți multe reacții redox pentru a scăpa de unul sau altul însoțitor nedorit în fiecare etapă. Pe rășinile schimbătoare de ioni moderne, uraniul este eliberat foarte selectiv.
Metode schimbul de ioni și extracția sunt, de asemenea, bune pentru că vă permit să extrageți destul de complet uraniul din soluții sărace, într-un litru din care există doar zecimi de gram de element nr. 92.
După aceste operațiuni, uraniul este transferat în stare solidă - într-unul dintre oxizi sau în tetrafluorura UF 4 . Dar acest uraniu trebuie încă purificat de impurități cu o secțiune transversală mare de captare termică a neutronilor - , . Conținutul lor în produsul final nu trebuie să depășească o sută de miimi și milioane de procente. Deci produsul deja obținut din punct de vedere tehnic pur trebuie să fie dizolvat din nou - de data aceasta. Nitratul de uranil UO 2 (NO 3) 2 în timpul extracției cu tributil fosfat și alte substanțe este purificat suplimentar în condițiile dorite. Apoi această substanță se cristalizează (sau peroxidul precipitat UO 4 ·2H 2 O) și începe să se aprindă cu grijă. În urma acestei operațiuni se formează trioxid de uraniu UO 3 care se reduce la UO 2 .
Această substanță este penultima pe drumul de la minereu la metal. La temperaturi de la 430 la 600 ° C, reacționează cu acidul fluorhidric uscat și se transformă în tetrafluorură de UF 4. Din acest compus se obține de obicei uraniul metalic. Primește cu ajutorul sau de obicei.
Proprietăți fizice
Uraniul este un metal foarte greu, alb-argintiu, strălucitor. În forma sa pură, este puțin mai moale decât oțelul, maleabil, flexibil și are ușoare proprietăți paramagnetice. Uraniul are trei forme alotrope: alfa (prismatic, stabil până la 667,7 °C), beta (cadrangular, stabil de la 667,7 la 774,8 °C), gamma (cu structură cubică centrată pe corp, existent de la 774,8 °C până la punctul de topire). ).
Proprietăți chimice
Activitatea chimică a uraniului metalic este ridicată. În aer, se acoperă cu o peliculă irizată. Uraniu sub formă de pulbere, se aprinde spontan la o temperatură de 150-175 °C. În timpul arderii uraniului și al descompunerii termice a multor compuși ai acestuia în aer, se formează oxid de uraniu U 3 O 8. Dacă acest oxid este încălzit în atmosferă la temperaturi peste 500 °C, se formează UO2. Când oxizii de uraniu sunt topiți cu oxizi ai altor metale, se formează uranați: K 2 UO 4 (uranat de potasiu), CaUO 4 (uranat de calciu), Na 2 U 2 O 7 (diuranat de sodiu).
Aplicație
Combustibil nuclear
Uraniul 235 U are cea mai mare aplicație, în care este posibilă auto-susținerea. Prin urmare, acest izotop este folosit ca combustibil în, precum și în (masă critică de aproximativ 48 kg). Izolarea izotopului U 235 din uraniul natural este o problemă tehnologică complexă (vezi). Izotopul U 238 este capabil de fisiune sub influența bombardamentelor cu neutroni de înaltă energie, această caracteristică este folosită pentru a crește puterea (se folosesc neutroni generați de o reacție termonucleară). Ca rezultat al captării neutronilor urmată de dezintegrarea β, 238 U se poate transforma în 239, care este apoi folosit ca combustibil nuclear.
Uraniul-233 obținut artificial în reactoare (prin iradiere cu neutroni și transformare în și apoi în uraniu-233) este combustibil nuclear pentru centralele nucleare și producția de bombe atomice (masă critică de aproximativ 16 kg). Uraniul-233 este, de asemenea, cel mai promițător combustibil pentru motoarele de rachete nucleare în fază gazoasă.
Alte aplicații
- Un mic adaos de uraniu dă sticlei o nuanță frumoasă galben-verzuie.
- Carbura de uraniu-235 într-un aliaj cu carbură de niobiu și carbură de zirconiu este folosită ca combustibil pentru motoarele cu reacție nucleare (fluidul de lucru este hidrogen + hexan).
- Aliajele de fier și uraniu sărăcit (uraniu-238) sunt utilizate ca materiale magnetostrictive puternice.
- La începutul secolului al XX-lea nitrat de uranil a fost utilizat pe scară largă ca agent de virare pentru a produce printuri fotografice colorate.
uraniu sărăcit
După extragerea U-235 din uraniul natural, materialul rămas se numește „uraniu sărăcit” deoarece este epuizat în izotopul 235. Potrivit unor rapoarte, aproximativ 560.000 de tone de hexafluorură de uraniu sărăcit (UF 6) sunt stocate în Statele Unite. Uraniul sărăcit este la jumătate mai radioactiv decât uraniul natural, în principal datorită eliminării U-234 din acesta. Deoarece principala utilizare a uraniului este producerea de energie, uraniul sărăcit este un produs inutil cu valoare economică mică.
Utilizarea sa principală este asociată cu densitatea mare a uraniului și cu costul său relativ scăzut: utilizarea sa pentru protecția împotriva radiațiilor (oricât ar părea de ciudat) și ca balast în aplicații aerospațiale precum suprafețele de control a aeronavelor. Fiecare aeronavă conține 1.500 kg de uraniu sărăcit în acest scop. Acest material este, de asemenea, utilizat în rotoarele giroscopului de mare viteză, volantele mari, ca balast în vehiculele de coborâre în spațiu și iahturile de curse, în timpul forării puțurilor de petrol.
Miezuri de proiectile care străpung armura
Cea mai cunoscută utilizare a uraniului este ca nuclee pentru americani. La fuziunea cu 2% sau 0,75% și tratamentul termic (stingerea rapidă a metalului încălzit la 850 °C în apă sau ulei, menținând în continuare la 450 °C timp de 5 ore), uraniul metalic devine mai dur și mai puternic (rezistența la tracțiune este mai mare de 1600 MPa, în timp ce pentru uraniu pur este de 450 MPa). În combinație cu densitatea sa mare, acest lucru face din lingoul de uraniu întărit un instrument de penetrare a armurii extrem de eficient, similar ca eficacitate cu cel mai scump. Procesul de distrugere a armurii este însoțit de măcinarea semifabricatului de uraniu în praf și aprinderea lui în aer pe cealaltă parte a armurii. Aproximativ 300 de tone de uraniu sărăcit au rămas pe câmpul de luptă în timpul Operațiunii Furtuna în Deșert (mai ales rămășițe de obuze de la tunul de 30 mm GAU-8 al aeronavei de atac A-10, fiecare carcasă conține 272 g de aliaj de uraniu).
Astfel de obuze au fost folosite de trupele NATO în luptele din Iugoslavia. După aplicarea acestora s-a discutat problema ecologică a contaminării cu radiații a teritoriului țării.
Uraniul sărăcit este folosit în armurile moderne ale tancurilor, cum ar fi tancul.
Acțiune fiziologică
În microcantități (10 -5 -10 -8%) se găsește în țesuturile plantelor, animalelor și oamenilor. Se acumulează în cea mai mare măsură de către unele ciuperci și alge. Compușii uraniului sunt absorbiți în tractul gastrointestinal (aproximativ 1%), în plămâni - 50%. Principalele depozite din organism: splina și bronho-pulmonare. Conținutul în organe și țesuturi ale oamenilor și animalelor nu depășește 10 -7 g.
Uraniu și compușii săi toxic. Aerosolii de uraniu și compușii săi sunt deosebit de periculoși. Pentru aerosolii compușilor de uraniu solubili în apă, MPC în aer este de 0,015 mg/m 3 , pentru formele insolubile de uraniu 0,075 mg/m 3 . Când intră în organism, uraniul acționează asupra tuturor organelor, fiind o otravă celulară generală. Mecanismul molecular de acțiune al uraniului este legat de capacitatea sa de a suprima activitatea. În primul rând, sunt afectați (proteinele și zahărul apar în urină,). În cazurile cronice, sunt posibile tulburări ale hematopoiezei și ale sistemului nervos.
Exploatarea uraniului în lume
Potrivit „Carții Roșii a Uraniului”, lansată în 2005, au fost extrase 41.250 de tone de uraniu (în 2003 - 35.492 de tone). Potrivit OCDE, în lume există 440 de utilizări comerciale care consumă 67.000 de tone de uraniu pe an. Aceasta înseamnă că producția sa asigură doar 60% din consumul său (restul este recuperat din vechile focoase nucleare).
Producția pe țări în tone după conținutul de U pentru 2005-2006
Productie in Rusia
Restul de 7% este obținut prin leșierea subterană a CJSC Dalur () și OJSC Khiagda ().
Minereurile rezultate și concentratul de uraniu sunt procesate la Uzina Mecanică Chepetsk.
Vezi si
Legături
Tehnologiile nucleare se bazează în mare măsură pe utilizarea metodelor de radiochimie, care la rândul lor se bazează pe proprietățile nuclearo-fizice, fizice, chimice și toxice ale elementelor radioactive.
În acest capitol, ne limităm la o scurtă descriere a proprietăților principalelor izotopi fisionali - uraniu și plutoniu.
Uranus
Uranus ( uraniu) U - un element al grupării actinide, perioada a 7-a-0 a sistemului periodic, Z=92, masa atomică 238,029; cele mai grele dintre cele găsite în natură.
Există 25 de izotopi cunoscuți ai uraniului, toți fiind radioactivi. Cel mai usor 217U (Tj/ 2 = 26 ms), cel mai greu 2 4 2 U (7 T J / 2 = i6,8 min). Există 6 izomeri nucleari. Există trei izotopi radioactivi în uraniul natural: 2 s 8 și (99,2 739%, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35U (0,7205%, G, / 2 = 7,04-109 ani) și 2 34U ( 0,0056%, Ti/ 2=2,48-swl). Radioactivitatea specifică a uraniului natural este de 2,48104 Bq, împărțită aproape la jumătate între 2 34U și 288 U; 235U are o contribuție mică (activitatea specifică a izotopului 233 din uraniul natural este de 21 de ori mai mică decât activitatea 238U). Secțiunea transversală de captare a neutronilor termici este de 46, 98 și 2,7 barn pentru 2 zz, 2 35U și, respectiv, 2 3 8 U; secțiune transversală de fisiune 527 și 584 barn pentru 2 zz și 2 s 8 și, respectiv; amestec natural de izotopi (0,7% 235U) 4,2 hambar.
Tab. 1. Proprietăţi nuclearo-fizice 2 h9 Ri și 2 35C.
Tab. 2. Captarea neutronilor 2 35C și 2 h 8 C.
Șase izotopi ai uraniului sunt capabili de fisiune spontană: 282 U, 2 szy, 234U, 235U, 2 s 6 u și 2 s 8 u. Izotopii naturali 233 și 235U se fisionează sub acțiunea atât a neutronilor termici, cât și a celor rapizi, în timp ce nucleele 238 și sunt capabile de fisiune numai atunci când sunt capturați neutroni cu o energie mai mare de 1,1 MeV. Când neutronii cu energie mai mică sunt capturați, nucleele de 288 U sunt mai întâi convertite în nuclee de 2 -i9U, care apoi suferă dezintegrare p și merg mai întâi în 2 - "*9Np și apoi în 2 39Pu. Secțiuni transversale eficiente pentru capturarea de neutroni termici de 2 34U, 2 nuclee 35U și 2 3 8 și sunt egali cu 98, 683 și, respectiv, 2,7-hambare. Fisiunea completă de 2 35U conduce la un „echivalent de energie termică” de 2-107 kWh/kg. Izotopii 2 35U și 2 zzy sunt utilizați ca combustibil nuclear, capabil să susțină reacția în lanț de fisiune.
Reactoarele nucleare produc n izotopi artificiali de uraniu cu numere de masă 227-240, dintre care cel mai longeviv este 233U (7 V 2 \u003d i.62 *io 5 ani); se obtine prin iradierea cu neutroni a toriului. Izotopii de uraniu cu numere de masă 239^257 se nasc în fluxurile de neutroni superputernice ale unei explozii termonucleare.
Uraniu-232- nuclid tehnogen, emițător a, T x / 2=68,9 ani, izotopi părinte 2 3 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) și 23 2 Pa(p), nuclid fiu 228 Th. Intensitatea fisiunii spontane este de 0,47 diviziuni/s kg.
Uraniul-232 se formează ca urmare a următoarelor descompunere:
P + - dezintegrarea nuclidului * 3 a Np (Ti / 2 \u003d 14,7 min):
În industria nucleară, 2 3 2 U este produs ca produs secundar în sinteza nuclidului 2 33 fisionabil (de calitate pentru arme) în ciclul combustibilului toriu. Când este iradiat cu neutroni 2 3 2 Th, are loc reacția principală:
și reacție laterală în doi pași:
Producția de 232 U din toriu are loc numai pe neutroni rapizi (E„>6 MeV). Dacă în substanța inițială există 2 s°Th, atunci formarea lui 2 3 2 U este completată de reacția: 2 s°Th + u-> 2 3'Th. Această reacție are loc pe neutroni termici. Generația 2 3 2 U este nedorită din mai multe motive. Este suprimată prin utilizarea toriu cu o concentrație minimă de 23°Th.
Decăderea lui 2 din 2 are loc în următoarele direcții:
O dezintegrare în 228 Th (probabilitate 100%, energie de dezintegrare 5,414 MeV):
energia particulelor a emise este de 5,263 MeV (în 31,6% din cazuri) și 5,320 MeV (în 68,2% din cazuri).
- - fisiune spontană (probabilitate mai mică de ~ 12%);
- - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 28 Mg (probabilitatea dezintegrarii este mai mică de 5 * 10 "12%):
Dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 2
Uraniul-232 este strămoșul unui lanț lung de descompunere, care include nuclizi - emițători de y-quanta dure:
^U-(3,64 zile, 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 (stub), 2o8 T1 - > (3,06 m, p, y -> 2o8 Pb.
Acumularea de 2 3 2 U este inevitabilă în producerea de 2 zzy în ciclul energetic al toriului. Radiațiile y intense care decurg din dezintegrarea 2 3 2 U împiedică dezvoltarea energiei toriului. Este neobișnuit ca izotopul uniform 2 3 2 11 să aibă o secțiune transversală de fisiune mare sub acțiunea neutronilor (75 barn pentru neutroni termici), precum și o secțiune transversală mare de captare a neutronilor - 73 barn. 2 3 2 U este utilizat în metoda trasoarelor radioactive în cercetarea chimică.
2 z 2 și este strămoșul unui lanț lung de dezintegrare (conform schemei 2 z 2 Th), care include nuclizi care emit y-quante dure. Acumularea de 2 3 2 U este inevitabilă în producerea de 2 zzy în ciclul energetic al toriului. Radiațiile γ intense care decurg din dezintegrarea 232 U împiedică dezvoltarea energiei toriului. Este neobișnuit ca izotopul uniform 2 3 2 U să aibă o secțiune transversală de fisiune mare sub acțiunea neutronilor (75 barn pentru neutroni termici), precum și o secțiune transversală mare de captare a neutronilor - 73 barn. 2 3 2 U este adesea folosit în metoda trasoarelor radioactive în cercetarea chimică și fizică.
Uraniu-233- radionuclid tehnogen, emițător a (energii 4.824 (82.7%) și 4.783 MeV (14.9%), Tvi= 1,585105 ani, nuclizi părinte 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +) -> 2 33Pa(p), nuclid fiică 22 9Th. 2 zzi se obține în reactoarele nucleare din toriu: 2 s 2 Th captează un neutron și se transformă în 2 zz Th, care se descompune în 2 zz Pa, iar apoi în 2 zz. Nucleii 2 zzi (izotop impar) sunt capabili atât de fisiune spontană, cât și de fisiune sub acțiunea neutronilor de orice energie, ceea ce îl face potrivit atât pentru producerea de arme atomice, cât și pentru combustibil pentru reactoare. Secțiunea transversală efectivă de fisiune este de 533 barn, secțiunea transversală de captare este de 52 barn, randamentul de neutroni este de 2,54 per eveniment de fisiune și 2,31 per neutron absorbit. Masa critică de 2 zz este de trei ori mai mică decât masa critică de 2 35U (-16 kg). Intensitatea fisiunii spontane este de 720 cazuri/s kg.
Uraniul-233 se formează ca urmare a următoarelor descompunere:
- (3 + -dezintegrarea nuclidului 2 33Np (7^=36,2 min):
La scară industrială, 2 zzi se obține din 2 32Th prin iradiere cu neutroni:
Când un neutron este absorbit, nucleul 234 de obicei se fisiază, dar ocazional captează un neutron, transformându-se în 234U. Deși 2 zzy, după ce a absorbit un neutron, de obicei se fisiază, totuși salvează uneori un neutron, transformându-se în 2 34U. Timpul de funcționare de 2 zz se realizează atât în reactoare rapide, cât și în reactoare termice.
Din punct de vedere al armelor, 2 zzi este comparabil cu 2 39 Pu: radioactivitatea sa este de 1/7 din activitatea lui 2 39 Pu (Ti/ 2 \u003d 159200 l față de 24100 l pentru Pu), masa critică a 2 szi este cu 6o% mai mare decât cea a IgPu (16 kg față de 10 kg), iar rata de fisiune spontană este de 20 de ori mai mare (b-u - ' versus 310 10). Fluxul de neutroni de la 239Pu este de 3 ori mai mare decât cel de la 239Pu. Crearea unei sarcini nucleare pe baza de 2 sz necesită mai mult efort decât pe ^Pu. Principalul obstacol este prezența impurității 232U în 232U, a cărei radiație y a proiectelor de dezintegrare îngreunează lucrul cu 2zzi și facilitează detectarea armelor gata făcute. În plus, timpul scurt de înjumătățire al 2 3 2 U îl face o sursă activă de particule a. 2 zzi cu 1% 232 și are o activitate a de 3 ori mai puternică decât plutoniul pentru arme și, în consecință, o radiotoxicitate mai mare. Această activitate a provoacă nașterea neutronilor în elementele ușoare ale încărcăturii armei. Pentru a minimiza această problemă, prezența unor elemente precum Be, B, F, Li ar trebui să fie minimă. Prezența unui fundal de neutroni nu afectează funcționarea sistemelor de implozie, dar este necesar un nivel ridicat de puritate pentru elementele ușoare pentru schemele de arme.zgi nu este dăunător și chiar de dorit, deoarece reduce posibilitatea utilizării uraniului în scopuri de arme. .După procesarea combustibilului nuclear uzat și reutilizarea combustibilului, conținutul de 232U ajunge la 0,1 + 0,2%.
Dezintegrarea lui 2 zzy are loc în următoarele direcții:
Dezintegrare A în 22 9Th (probabilitate 100%, energie de dezintegrare 4,909 MeV):
energia n-particulelor emise este de 4,729 MeV (în 1,61% din cazuri), 4,784 MeV (în 13,2% din cazuri) și 4,824 MeV (în 84,4% din cazuri).
- - fisiune spontană (probabilitate
- - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 28 Mg (probabilitatea dezintegrarii este mai mică de 1,3*10 -13%):
Dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 24 Ne (probabilitate de dezintegrare 7,3-10-“%):
Lanțul de dezintegrare de 2 zz aparține seriei Neptunium.
Radioactivitatea specifică este de 2 zzi 3,57-8 Bq/g, ceea ce corespunde unei activități a (și radiotoxicității) de -15% plutoniu. Doar 1% 2 3 2 U crește radioactivitatea la 212 mCi/g.
Uraniu-234(Uranus II, UII) este o parte a uraniului natural (0,0055%), 2,445105 ani, emițător a (energia particulelor a 4,777 (72%) și
4,723 (28%) MeV), radionuclizi părinte: 2 s 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),
izotop fiică în 2 s"t.
De obicei, 234 U este în echilibru cu 2 3 8 u, descompunând și formându-se în aceeași viteză. Aproximativ jumătate din radioactivitatea uraniului natural este contribuția 234U. De obicei, 234U se obține prin cromatografia cu schimb de ioni a preparatelor vechi de 238 Pu pur. În a-decay, *34U se pretează la 234U, așa că vechile preparate de 238Pu sunt surse bune de 234U. 100 g 2s8Pu conțin 776 mg 234U după un an, după 3 ani
2,2 g 2 34U. Concentrația de 2 34U în uraniu foarte îmbogățit este destul de mare datorită îmbogățirii preferențiale în izotopi de lumină. Deoarece 234u este un emițător puternic y, există restricții privind concentrația sa în uraniu destinat procesării în combustibil. Nivelul ridicat de 234i este acceptabil pentru reactoare, dar SNF reprocesat conține deja niveluri inacceptabile ale acestui izotop.
Dezintegrarea lui 234u are loc după următoarele linii:
Dezintegrare A în 23°T (probabilitate 100%, energie de dezintegrare 4,857 MeV):
energia particulelor a emise este de 4,722 MeV (în 28,4% din cazuri) și 4,775 MeV (în 71,4% din cazuri).
- - fisiune spontană (probabilitate 1,73-10-9%).
- - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclidului 28 Mg (probabilitatea dezintegrarii este de 1,4-10 "n%, conform altor surse 3,9-10-"%):
- - dezintegrarea clusterului cu formarea nuclizilor 2 4Ne și 26 Ne (probabilitatea dezintegrarii este de 9-10", 2%, conform altor date 2.3-10 - 11%):
Singurul izomer 2 34ti este cunoscut (Tx/ 2 = 33,5 μs).
Secțiunea transversală de absorbție a 2 neutroni termici 34U este de 10 barn, iar pentru integrala de rezonanță mediată pe diverși neutroni intermediari, 700 barn. Prin urmare, în reactoarele cu neutroni termici, acesta este convertit în 235U fisil la o rată mai rapidă decât o cantitate mult mai mare de 238U (cu o secțiune transversală de 2,7 barn) este convertită în 239Pu. Ca rezultat, SNF conține mai puțin 234U decât combustibilul proaspăt.
Uraniu-235 aparține familiei 4P + 3, este capabil să producă o reacție în lanț de fisiune. Acesta este primul izotop pe care a fost descoperită reacția de fisiune forțată a nucleelor sub acțiunea neutronilor. Absorbând un neutron, 235U intră în 2 zbi, care este împărțit în două părți, eliberând energie și emițând mai mulți neutroni. Fisionabil de neutroni de orice energie, capabil de fisiune spontană, izotopul 2 35U face parte din utanul natural (0,72%), emițător a (energii 4,397 (57%) și 4,367 (18%) MeV), Ti/j=7.038-th 8 ani, nuclizi părinte 2 35Pa, 2 35Np și 2 39Pu, fiica - 23"Th. Intensitatea fisiunii spontane 2 3su 0,16 diviziuni/s kg. Fisiunea unui nucleu de 2 35U eliberează 200 MeV de energie = 3,2 Yu p J, adică. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Secțiunea transversală a fisiunii prin neutroni termici este de 545 hambare, iar prin neutroni rapizi - 1,22 hambare, randament de neutroni: per eveniment de fisiune - 2,5, per neutron absorbit - 2,08.
Cometariu. Secțiunea transversală de captare a neutronilor lenți pentru a forma izotopul 2 si (10 barn), astfel încât secțiunea transversală de absorbție totală a neutronilor lenți este de 645 barn.
- - fisiune spontană (probabilitate 7*10~9%);
- - dezintegrarea clusterului cu formarea de nuclizi 2 °Ne, 2 5Ne și 28 Mg (probabilitățile sunt respectiv 8-io - 10%, 8-kg 10%, 8 * 10 ".0%):
Orez. unu.
Singurul izomer cunoscut este 2 35n»u (7/ 2 = 26 min).
Activitate specifică 2 35C 7,77-u 4 Bq/g. Masa critică de uraniu pentru arme (93,5% 2 35U) pentru o minge cu reflector este de 15-7-23 kg.
Fisiune 2 » 5U este folosit în arme atomice, pentru producerea de energie și pentru sinteza actinidelor importante. Reacția în lanț se menține datorită excesului de neutroni produși în timpul fisiunii de 2 35C.
Uraniu-236 apare pe Pământ în natură în urme (pe Lună este mai mult), a-emițător (?
Orez. 2. Familia radioactivă 4/7+2 (inclusiv -3 8 și).
Într-un reactor atomic, 233 absoarbe un neutron termic, după care se fisiază cu o probabilitate de 82% și emite un cuantic y cu o probabilitate de 18% și se transformă în 236 și . În cantități mici, face parte din combustibilul proaspăt; se acumulează atunci când uraniul este iradiat cu neutroni în reactor și, prin urmare, este utilizat ca „dispozitiv de semnalizare” SNF. 2 h b și se formează ca produs secundar în timpul separării izotopilor prin difuzie gazoasă în timpul regenerării combustibilului nuclear uzat. 236 U produs într-un reactor de putere este o otravă cu neutroni; prezența sa în combustibilul nuclear este compensată de un nivel ridicat de îmbogățire cu 2 35U.
2b și este folosit ca trasor de amestecare pentru apele oceanice.
Uraniu-237,T&= 6,75 zile, emițător beta și gamma, pot fi obținute prin reacții nucleare:
Detectarea 287 și efectuată conform liniilor cu eu= o.v MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)
237U este utilizat în metoda trasoarelor radioactive în cercetarea chimică. Măsurarea concentrației (2 4°Am) în precipitațiile de la un test cu armă atomică oferă informații valoroase despre tipul de încărcare și echipamentul utilizat.
Uraniu-238- aparține familiei 4P + 2, fisibilă cu neutroni de înaltă energie (mai mult de 1,1 MeV), capabilă de fisiune spontană, formează baza uraniului natural (99,27%), emițător a, 7'; /2=4>468-109 ani, se descompune direct în 2 34Th, formează un număr de radionuclizi înrudiți genetic, iar după 18 produse se transformă în 206 Pb. Pur 2 3 8 U are o radioactivitate specifică de 1,22-104 Bq. Timpul de înjumătățire este foarte lung - aproximativ 10 16 ani, astfel încât probabilitatea de fisiune în raport cu procesul principal - emisia unei particule a - este de numai 10 "7. Un kilogram de uraniu dă doar 10 fisiuni spontane pe fiecare. al doilea, iar în același timp o particulă a emite 20 de milioane de nuclei Nuclizi părinți: 2 4 2 Pu(a), *spa(p-) 234Th, fiică T,/ 2 = 2 :i 4 al.
Uraniul-238 se formează ca urmare a următoarelor descompunere:
2 (V0 4) 2] 8Н 2 0. Dintre mineralele secundare, este obișnuit uranil fosfatul de calciu hidratat Ca (U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Adesea, uraniul din minerale este însoțit de alte elemente utile - titan , tantal, pământuri rare. Prin urmare, este firesc să ne străduim pentru procesarea complexă a minereurilor care conțin uraniu.
Proprietățile fizice de bază ale uraniului: masa atomică 238,0289 a.m.u. (g/mol); raza atomică 138 pm (1 pm = 12 m); energie de ionizare (primul electron 7,11 eV; configurație electronică -5f36d‘7s 2; stări de oxidare 6, 5, 4, 3; G P l \u003d 113 2, 2 °; T t,1=3818°; densitate 19,05; capacitate termică specifică 0,115 JDKmol); rezistență la rupere 450 MPa, căldură de fuziune 12,6 kJ/mol, căldură de vaporizare 417 kJ/mol, capacitate termică specifică 0,115 J/(mol-K); volum molar 12,5 cm3/mol; temperatura caracteristică Debye © D = 200K, temperatura de tranziție la starea supraconductoare este de 0,68K.
Uraniul este un metal greu, alb-argintiu, lucios. Este puțin mai moale decât oțelul, maleabil, flexibil, are ușoare proprietăți paramagnetice și este piroforic în stare de pulbere. Uraniul are trei forme alotrope: alfa (rombic, a-U, parametrii rețelei 0=285, b= 587, c=49b pm, stabil până la 667,7°), beta (tetragonal, p-U, stabil de la 667,7 la 774,8°), gamma (cu o rețea cubică centrată pe corp, y-U, existent de la 774,8° până la punctele de topire, frm= ii34 0), la care uraniul este cel mai maleabil și mai convenabil pentru prelucrare.
La temperatura camerei, faza a rombică este stabilă, structura prismatică este formată din straturi atomice ondulate paralele cu planul abc,într-o rețea prismatică extrem de asimetrică. În cadrul straturilor, atomii sunt strâns legați, în timp ce puterea legăturilor dintre atomii straturilor adiacente este mult mai slabă (Fig. 4). Această structură anizotropă face dificilă fuzionarea uraniului cu alte metale. Doar molibdenul și niobiul creează aliaje în stare solidă cu uraniu. Cu toate acestea, uraniul metalic poate interacționa cu multe aliaje, formând compuși intermetalici.
În intervalul 668 ^ 775 ° există un (3-uraniu. Rețeaua de tip tetragonal are o structură stratificată cu straturi paralele cu planul abîn pozițiile 1/4С, 1/2 cuși celulă unitară 3/4C. La temperaturi peste 775°, y-uraniul se formează cu o rețea cubică centrată pe corp. Adăugarea de molibden face posibilă existența fazei y la temperatura camerei. Molibdenul formează o gamă largă de soluții solide cu y-uraniul și stabilizează faza y la temperatura camerei. y-Uraniul este mult mai moale și mai maleabil decât fragilele a- și (3-faze.
Iradierea cu neutroni are un efect semnificativ asupra proprietăților fizice și mecanice ale uraniului, determinând o creștere a dimensiunii probei, o schimbare a formei, precum și o deteriorare bruscă a proprietăților mecanice (fluaj, fragilizare) blocurilor de uraniu în timpul funcţionarea unui reactor nuclear. Creșterea volumului se datorează acumulării în uraniu în timpul fisiunii impurităților elementelor cu o densitate mai mică (traducere 1% uraniul în elemente de fragmentare crește volumul cu 3,4%).
Orez. 4. Unele structuri cristaline ale uraniului: a - a-uraniu, b - p-uraniu.
Cele mai comune metode de obținere a uraniului în stare metalică sunt reducerea fluorurilor acestora cu metale alcaline sau alcalino-pământoase sau electroliza topiturii sărurilor acestora. Uraniul poate fi obținut și prin reducerea metalotermă din carburi cu wolfram sau tantal.
Capacitatea de a dona cu ușurință electroni determină proprietățile reducătoare ale uraniului și activitatea sa chimică ridicată. Uraniul poate interacționa cu aproape toate elementele, cu excepția gazelor nobile, în timp ce dobândește stări de oxidare +2, +3, +4, +5, +6. În soluție, valența principală este 6+.
Oxidându-se rapid în aer, uraniul metalic este acoperit cu o peliculă irizată de oxid. Pulberea fină de uraniu se aprinde spontan în aer (la temperaturi de 1504-175°), formând și;) Ov. La 1000°, uraniul se combină cu azotul pentru a forma nitrură de uraniu galbenă. Apa este capabilă să reacționeze cu metalul lent la temperaturi scăzute și rapid la temperaturi ridicate. Uraniul reacționează violent cu apa clocotită și cu aburul pentru a elibera hidrogen, care formează o hidrură cu uraniul.
Această reacție este mai viguroasă decât arderea uraniului în oxigen. O astfel de activitate chimică a uraniului face necesară protejarea uraniului din reactoarele nucleare de contactul cu apa.
Uraniul se dizolvă în acizi clorhidric, nitric și alți acizi, formând săruri U(IV), dar nu interacționează cu alcalii. Uraniul înlocuiește hidrogenul din acizii anorganici și din soluțiile sărate ale metalelor precum mercurul, argintul, cuprul, staniul, platina și aurul. Cu tremurări puternice, particulele de metal de uraniu încep să strălucească.
Caracteristicile structurii învelișurilor de electroni ale atomului de uraniu (prezența electronilor ^/-) și unele dintre proprietățile fizico-chimice ale acestuia servesc drept bază pentru clasificarea uraniului ca actinidă. Cu toate acestea, există o analogie chimică între uraniu și Cr, Mo și W. Uraniul este foarte reactiv și reacționează cu toate elementele, cu excepția gazelor nobile. În faza solidă, exemple de U(VI) sunt trioxidul de uranil U03 şi clorura de uranil U02C12. Tetraclorură de uraniu UC1 4 și dioxid de uraniu U0 2
Exemple U(IV). Substanțele care conțin U(IV) sunt de obicei instabile și devin hexavalente la expunerea prelungită la aer.
În sistemul uraniu-oxigen sunt instalați șase oxizi: UO, U0 2 , U 4 0 9 și 3 Ov, U0 3 . Ele se caracterizează printr-o zonă largă de omogenitate. U0 2 este un oxid bazic, în timp ce U0 3 este amfoter. U0 3 - interacționează cu apa pentru a forma un număr de hidrați, dintre care cei mai importanți sunt acidul diuronic H 2 U 2 0 7 și acidul uranic H 2 1U 4. Cu alcalii, U0 3 formează săruri ale acestor acizi - uranați. Când U03 este dizolvat în acizi, se formează săruri ale cationului uranil dublu încărcat U02a+.
Dioxidul de uraniu, U0 2 , este maro în compoziție stoechiometrică. Pe măsură ce conținutul de oxigen din oxid crește, culoarea se schimbă de la maro închis la negru. Structura cristalină de tip CaF 2, A = 0,547 nm; densitate 10,96 g/cm"* (cea mai mare densitate dintre oxizii de uraniu). T , pl \u003d 2875 0, T kn „ \u003d 3450 °, D # ° 298 \u003d -1084,5 kJ / mol. Dioxidul de uraniu este un semiconductor cu conductivitate în găuri, un paramagnet puternic. MAC = 0,015 mg/m3. Să nu ne dizolvăm în apă. La temperatura de -200° adaugă oxigen, ajungând la compoziţia U0 2>25.
Oxidul de uraniu (IV) poate fi obținut prin reacții:
Dioxidul de uraniu prezintă numai proprietăți de bază, el corespunde hidroxidului bazic U (OH) 4, care apoi se transformă în hidroxid hidratat U0 2 H 2 0. Dioxidul de uraniu se dizolvă lent în acizi puternici neoxidanți în absența oxigenului atmosferic pentru a forma W. + ioni:
U0 2 + 2H 2 S0 4 ->U(S0 4) 2 + 2Н 2 0. (38)
Este solubil în acizi concentrați, iar viteza de dizolvare poate fi crescută mult prin adăugarea de ion de fluor.
Când se dizolvă în acid azotic, se formează ionul de uranil 1U 2 2+:
Octoxid de triuran U 3 0s (oxid de uraniu) - pulbere, a cărei culoare variază de la negru la verde închis; la zdrobire puternică – culoare verde-măsliniu. Cristalele mari negre lasă pe porțelan pete verzi. Există trei modificări cristaline cunoscute ale U30 h: a-U3C>8 - structură cristalină rombică (sp. gr. C222; 0=0,671 nm; 6=1,197 nm; c=0,83 nm; d = 0,839 nm); p-U 3 0e - structură cristalină rombică (grup spațial Stst; 0=0,705 nm; 6=1,172 nm; 0=0,829 nm. Începutul descompunerii este de 100° (trece la 110 2), MPC = 0,075 mg / m3.
U 3 C>8 poate fi obținut prin reacția:
Prin calcinarea U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 sau (NH 4) 2 U 2 0 7 la 750 0 în aer sau în atmosferă de oxigen ( p = 150 + 750 mm Hg) primesc U 3 08 pur stoichiometric.
Când U 3 0s este calcinat la T > 100°, se reduce la 110 2, cu toate acestea, când este răcit în aer, revine la U 3 0s. U 3 0e se dizolvă numai în acizi tari concentraţi. În acizii clorhidric și sulfuric se formează un amestec de U(IV) și U(VI), iar în acidul azotic se formează nitrat de uranil. Acizii sulfuric și clorhidric diluați reacționează foarte slab cu U 3 Os chiar și atunci când sunt încălziți, adăugarea de agenți de oxidare (acid azotic, piroluzit) crește brusc viteza de dizolvare. H2S04 concentrat dizolvă U3Os cu formarea de U(S04)2 şi U02SO4. Acidul azotic dizolvă U 3 Oe cu formarea azotatului de uranil.
Trioxid de uraniu, U0 3 - substanță cristalină sau amorfă de culoare galben strălucitor. Reactioneaza cu apa. MPC \u003d 0,075 mg / m 3.
Se obține prin calcinarea poliuranaților de amoniu, peroxid de uraniu, oxalat de uranil la 300-500 ° și nitrat de uranil hexahidrat. În acest caz, se formează o pulbere portocalie cu o structură amorfă cu o densitate
6,8 g/cm. Forma cristalină IO3 poate fi obţinută prin oxidarea U 3 0 8 la temperaturi de 450°-750° într-un curent de oxigen. Există șase modificări cristaline ale U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 este higroscopic și se transformă în hidroxid de uranil în aer umed. încălzirea ulterioară la 6oo° face posibilă obținerea U 3 Os.
Hidrogenul, amoniacul, carbonul, metalele alcaline și alcalino-pământoase reduc U03 la U02. Prin trecerea unui amestec de gaze HF și NH3, se formează UF4. În cea mai mare valență, uraniul prezintă proprietăți amfotere. Sub acțiunea acizilor U0 3 sau a hidraților săi se formează săruri de uranil (U0 2 2+), colorate în galben-verde:
Majoritatea sărurilor de uranil sunt foarte solubile în apă.
Cu alcalii, atunci când este topit, U0 3 formează săruri de acid uranic - uranați MDKH,:
Cu soluții alcaline, trioxidul de uraniu formează săruri ale acizilor poliuranici - poliuranați dgM 2 0y110 3 pH^O.
Sărurile acidului uraniu sunt practic insolubile în apă.
Proprietățile acide ale U(VI) sunt mai puțin pronunțate decât cele de bază.
Uraniul reacţionează cu fluorul la temperatura camerei. Stabilitatea halogenurilor superioare scade de la fluoruri la ioduri. Fluorurile UF3, U4F17, U2F9 și UF4 sunt nevolatile, iar UFe este volatil. Cele mai importante dintre fluoruri sunt UF4 și UFe.
Ftpppippyanir okgilya t "yanya ppptrkart în practică:
Reacția într-un pat fluidizat se realizează conform ecuației:
Este posibil să se utilizeze agenți de fluorurare: BrF 3, CC1 3 F (freon-11) sau CC1 2 F 2 (freon-12):
Fluorura de uraniu (1U) UF 4 („sare verde”) - pulbere de la culoarea verde-albăstruie până la smarald. G 11L \u003d SW6 °; G la, ",. \u003d -1730 °. DYa ° 29 8 = 1856 kJ/mol. Structura cristalină este monoclinică (sp. gp C2/c; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p \u003d 12b ° 20 "; densitate 6,72 g / cm3. UF 4 este un compus stabil, inactiv, nevolatil, slab solubil în apă. Cel mai bun solvent pentru UF 4 este acidul percloric fumos HC10 4. Se dizolvă în acizi oxidanți pentru a forma o sare de uranil se dizolvă rapid într-o soluție fierbinte de Al(N0 3) 3 sau A1C1 3 , precum și într-o soluție de acid boric acidificat cu H 2 S0 4 , HC10 4 sau HC1 sau acid boric, de asemenea, contribuie la dizolvarea UF 4. Formează un număr de săruri duble puțin solubile cu fluorurile altor metale (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 etc.) NH 4 UF 5 are importanță industrială.
Fluorura U(IV) este un produs intermediar în preparat
atât UF6 cât și uraniu metal.
UF4 poate fi obţinut prin reacţii:
sau prin reducerea electrolitică a fluorurii de uranil.
Hexafluorură de uraniu UFe - la temperatura camerei, cristale de fildeș cu un indice de refracție ridicat. Densitate
5,09 g/cm3, densitatea UFe lichid este de 3,63 g/cm3. Conexiune zburătoare. Tvoag = 5^>5°> Gil=64,5° (sub presiune). Presiunea vaporilor saturați ajunge în atmosferă la 560°. Entalpia de formare a AR° 29 8 = -2116 kJ/mol. Structura cristalină este rombică (sp. gr. Rpta; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=0,5207 nm; d 5,060 nm (250). MPC - 0,015 mg / m3. Din starea solidă, UF6 se poate sublima din faza solidă (sublima) într-un gaz, ocolind faza lichidă într-o gamă largă de presiuni. Căldura de sublimare la 50 0 50 kJ/mg. Molecula nu are un moment dipol, deci UF6 nu se asociază. Vaporii UFr, - un gaz ideal.
Se obține prin acțiunea fluorului asupra U dintre compușii săi:
Pe lângă reacțiile în fază gazoasă, există și reacții în fază lichidă.
obţinerea UF6 folosind halofluoruri, de exemplu
Există o modalitate de a obține UF6 fără utilizarea fluorului - prin oxidarea UF 4:
UFe nu reacționează cu aerul uscat, oxigenul, azotul și CO2, dar la contactul cu apa, chiar și cu urme ale acesteia, suferă hidroliză:
Interacționează cu majoritatea metalelor, formând fluorurile acestora, ceea ce complică metodele de depozitare a acestuia. Materialele vaselor potrivite pentru lucrul cu UF6 sunt: Ni, Monel și Pt la încălzire, Teflon, cuarț și sticlă absolut uscate, cupru și aluminiu la rece. La temperaturi de 25 yuo 0 formează compuși complecși cu fluoruri de metale alcaline și argint de tipul 3NaFUFr>, 3KF2UF6.
Se dizolvă bine în diverse lichide organice, acizi anorganici și în toate fluorurile de halogen. Inert la uscare 02, N2, CO2, C12, Br2. UFr se caracterizează prin reacții de reducere cu majoritatea metalelor pure. UF6 reacționează energic cu hidrocarburile și alte substanțe organice, astfel încât recipientele închise de UFe pot exploda. UF6 în intervalul 25 - 100° formează săruri complexe cu fluorurile alcaline și ale altor metale. Această proprietate este utilizată în tehnologia de extracție selectivă a UF
Hidrururile de uraniu UH2 și UH3 ocupă o poziție intermediară între hidrurile asemănătoare sărurilor și hidrurile precum soluțiile solide de hidrogen din metal.
Când uraniul reacţionează cu azotul, se formează nitruri. În sistemul U-N sunt cunoscute patru faze: UN (nitrură de uraniu), a-U 2 N 3 (sesquinitrură), p-U 2 N 3 și ONU If90. Nu se poate ajunge la compoziția UN 2 (dinitrură). Fiabile și bine controlate sunt sintezele de mononitrură de uraniu UN, care se realizează cel mai bine direct din elemente. Nitrururile de uraniu sunt substanțe pulverulente, a căror culoare variază de la gri închis la gri; arata ca metal. UN are o structură cristalină cubică centrată pe față, cum ar fi NaCl (0=4,8892 A); (/ = 14,324, 7 ^ = 2855 °, stabil în vid până la 1700 0. Se obține prin reacția hidrurii U sau U cu N 2 sau NH 3 , descompunerea nitrurilor superioare U la 1300 ° sau reducerea lor cu uraniu metalic. U 2 N 3 este cunoscut în două modificări polimorfe: a cubic și p hexagonal (0=0,3688 nm, 6=0,5839 nm), eliberează N 2 în vid peste 8oo°. Se obține prin reducerea UN 2 cu hidrogen. Dinitrura UN 2 este sintetizată prin reacția U cu N 2 la presiune ridicată N 2 . Nitrururile de uraniu sunt ușor solubile în acizi și soluții alcaline, dar se descompun cu alcaline topite.
Nitrura de uraniu se obține prin reducerea carbotermală în două etape a oxidului de uraniu:
Încălzire în argon la 7M450 0 timp de 10 * 20 ore
Se poate obţine nitrură de uraniu cu o compoziţie apropiată de dinitrură, UN 2 , prin acţiunea amoniacului asupra UF 4 la temperatură şi presiune ridicată.
Dinitrura de uraniu se descompune atunci când este încălzită:
Nitrura de uraniu, îmbogățită în 2 35U, are o densitate de fisiune, conductivitate termică și punct de topire mai mari decât oxizii de uraniu, combustibilul tradițional al reactoarelor de putere moderne. Are, de asemenea, o bună mecanică și stabilitate, depășind combustibilul tradițional. Prin urmare, acest compus este considerat o bază promițătoare pentru reactoarele cu neutroni rapidi cu combustibil nuclear (reactoare nucleare de generația IV).
Cometariu. UN este foarte util pentru a îmbogăți pe ‘5N, pentru că ,4 N tinde să capteze neutroni, generând izotopul radioactiv 14 C prin reacția (n, p).
Carbura de uraniu UC 2 (faza a) este o substanță cristalină de culoare gri deschis, cu o strălucire metalică. În sistemul U-C (carburi de uraniu) există UC 2 (faza a), UC 2 (b 2-faza), U 2 C 3 (fază e), UC (b 2-faza) - carburi de uraniu. Dicarbura de uraniu UC 2 poate fi obținută prin reacțiile:
U + 2C ^ UC 2 (54v)
Carburele de uraniu sunt folosite ca combustibil pentru reactoarele nucleare, sunt promițătoare ca combustibil pentru motoarele de rachete spațiale.
Azotat de uranil, azotat de uranil, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Rolul metalului în această sare îl joacă cationul uranil 2+. Cristale galbene cu o strălucire verzuie, ușor solubile în apă. Soluția apoasă este acidă. Solubil în etanol, acetonă și eter, insolubil în benzen, toluen și cloroform. Când sunt încălzite, cristalele se topesc și eliberează HN0 3 și H 2 0. Hidratul cristalin se erodează ușor în aer. O reacție caracteristică este aceea că sub acțiunea NH3 se formează un precipitat galben de urat de amoniu.
Uraniul este capabil să formeze compuși organici metalici. Exemple sunt derivaţii de ciclopentadienil ai compoziţiei U(C5H5)4 şi u(C5H5)3G sau u(C5H5)2G2 halogenat al acestora.
În soluțiile apoase, uraniul este cel mai stabil în starea de oxidare U(VI) sub forma ionului de uranil U0 2 2+ . Într-o măsură mai mică, se caracterizează prin starea U(IV), dar poate exista chiar și în forma U(III). Starea de oxidare U(V) poate exista ca ion IO 2 +, dar această stare este rar observată din cauza tendinței de disproporționare și hidroliză.
În soluții neutre și acide, U(VI) există ca U0 2 2+ - un ion de uranil galben. Sărurile de uranil bine solubile includ azotat U0 2 (N0 3) 2, sulfatul U0 2 S0 4, clorura U0 2 C1 2, fluorura U0 2 F 2, acetat U0 2 (CH 3 C00) 2. Aceste săruri sunt izolate din soluții sub formă de hidrați cristalini cu un număr diferit de molecule de apă. Sărurile ușor solubile ale uranilului sunt: oxalat U0 2 C 2 0 4, fosfații U0 2 HP0. și UO2P2O4, uranil fosfat de amoniu UO2NH4PO4, uranil vanadatul de sodiu NaU0 2 V0 4, ferocianura (U0 2) 2. Ionul de uranil se caracterizează printr-o tendință de a forma compuși complecși. Deci se cunosc complexe cu ioni de fluor de tipul -, 4-; complexe de nitrați și 2 *; complecși de sulfat 2 "și 4-; complecși de carbonat 4" și 2 " etc. Sub acțiunea alcalinelor asupra soluțiilor de săruri de uranil se eliberează precipitate puțin solubile de diuranați de tip Me 2 U 2 0 7 (Me 2 U 0 4 monouranaţii nu se izolează din soluţii, se obţin prin fuziunea oxizilor de uraniu cu alcalii) Se cunosc poliuranaţii Me 2 U n 0 3 n+i (de exemplu Na 2 U60i 9).
U(VI) este redus în soluții acide la U(IV) prin fier, zinc, aluminiu, hidrosulfit de sodiu și amalgam de sodiu. Soluțiile sunt colorate în verde. Alcalii precipită hidroxid și 0 2 (0H) 2 din ele, acid fluorhidric - fluor UF 4 -2,5H 2 0, acid oxalic - oxalat U (C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Tendința de formare a complexului în U Cu 4+ ion mai puțin decât cel al ionilor de uranil.
Uraniul (IV) în soluție este sub formă de ioni U4+, care sunt puternic hidrolizați și hidratați:
Hidroliza este inhibată în soluții acide.
Uraniul (VI) în soluție formează oxocare a uranilului - U0 2 2+ Sunt cunoscuți numeroși compuși ai uranilului, dintre care exemple sunt: 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 etc.
În timpul hidrolizei ionului uranil, se formează o serie de complexe multinucleare:
Odată cu hidroliză suplimentară, apare U30s (0H)2 şi apoi U308 (0H)42-.
Pentru detecția calitativă a uraniului se folosesc metode de analiză chimică, luminiscentă, radiometrică și spectrală. Metodele chimice se bazează în principal pe formarea de compuși colorați (de exemplu, culoarea roșu-maro a compusului cu ferocianura, galben cu peroxid de hidrogen, albastru cu reactiv arsenazo). Metoda luminiscentă se bazează pe capacitatea multor compuși ai uraniului de a da o strălucire gălbuie-verzuie sub acțiunea razelor UV.
Determinarea cantitativă a uraniului se realizează prin diferite metode. Cele mai importante dintre ele sunt: metodele volumetrice, constând în reducerea U(VI) la U(IV) urmată de titrare cu soluții de agenți oxidanți; metode de greutate - precipitarea uranaților, peroxidului, kupferranaților U(IV), oxichinolat, oxalat etc. urmată de calcinarea lor la 100° și cântărind U 3 0s; metodele polarografice într-o soluție de nitrat fac posibilă determinarea a 10 x 7 x 10-9 g de uraniu; numeroase metode colorimetrice (de exemplu, cu H 2 0 2 în mediu alcalin, cu reactivul arsenazo în prezenţa EDTA, cu dibenzoilmetan, sub formă de complex tiocianat etc.); metoda luminiscentă, care face posibilă determinarea când este fuzionată cu NaF la eu 11 g uraniu.
235U aparține grupei A de pericol de radiații, activitatea minimă semnificativă MZA=3,7-10 4 Bq, 2 s 8 și - grupei D, MZA=3,7-10 6 Bq (300 g).