rádioaktívny urán. prvok urán

Urán je chemický prvok z rodiny aktinidov s atómovým číslom 92. Je to najdôležitejšie jadrové palivo. Jeho koncentrácia v zemskej kôre je asi 2 častice na milión. Medzi dôležité uránové minerály patrí oxid uránu (U 3 O 8), uraninit (UO 2), karnotit (uranylvanadičnan draselný), otenit (uranylfosfát draselný) a torbernit (vodná meď a uranylfosfát). Tieto a ďalšie uránové rudy sú zdrojom jadrového paliva a obsahujú mnohonásobne viac energie ako všetky známe vyťažiteľné ložiská fosílnych palív. 1 kg uránu 92 U dáva toľko energie ako 3 milióny kg uhlia.

História objavov

Chemický prvok urán je hustý, pevný strieborno-biely kov. Je tvárny, kujný a dá sa leštiť. Kov na vzduchu oxiduje a pri rozdrvení sa vznieti. Pomerne slabý vodič elektriny. Elektronický vzorec uránu je 7s2 6d1 5f3.

Hoci prvok objavil v roku 1789 nemecký chemik Martin Heinrich Klaproth, ktorý ho pomenoval podľa novoobjavenej planéty Urán, samotný kov izoloval v roku 1841 francúzsky chemik Eugène-Melchior Peligot redukciou z chloridu uránového (UCl 4 ) s draslík.

Rádioaktivita

Vytvorenie periodickej tabuľky ruským chemikom Dmitrijom Mendelejevom v roku 1869 upriamilo pozornosť na urán ako najťažší známy prvok, ktorým zostal až do objavu neptunia v roku 1940. V roku 1896 v ňom francúzsky fyzik Henri Becquerel objavil fenomén rádioaktivity. . Táto vlastnosť sa neskôr našla v mnohých iných látkach. Teraz je známe, že rádioaktívny urán vo všetkých jeho izotopoch pozostáva zo zmesi 238 U (99,27 %, polčas rozpadu - 4 510 000 000 rokov), 235 U (0,72 %, polčas rozpadu - 713 000 000 rokov) a 234 % (0,006 rokov). polčas rozpadu - 247 000 rokov). To umožňuje napríklad určiť vek hornín a minerálov s cieľom študovať geologické procesy a vek Zeme. K tomu merajú množstvo olova, ktoré je konečným produktom rádioaktívneho rozpadu uránu. V tomto prípade je 238 U počiatočným prvkom a 234 U je jedným z produktov. 235 U vedie k rozpadu aktínia.

Otvorenie reťazovej reakcie

Chemický prvok urán sa stal predmetom širokého záujmu a intenzívneho štúdia po tom, čo v ňom koncom roku 1938 nemeckí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann objavili jadrové štiepenie, keď bol bombardovaný pomalými neutrónmi. Začiatkom roku 1939 americký fyzik talianskeho pôvodu Enrico Fermi navrhol, že medzi produktmi štiepenia atómu môžu byť elementárne častice schopné vyvolať reťazovú reakciu. V roku 1939 túto predpoveď potvrdili americkí fyzici Leo Szilard a Herbert Anderson, ako aj francúzsky chemik Frederic Joliot-Curie a ich kolegovia. Následné štúdie ukázali, že pri štiepení atómu sa v priemere uvoľní 2,5 neutrónu. Tieto objavy viedli k prvej samoudržiavacej jadrovej reťazovej reakcii (12.2.1942), prvej atómovej bombe (16.7.1945), jej prvému použitiu vo vojenských operáciách (8.6.1945), prvej jadrovej ponorke (1955) a prvá jadrová elektráreň v plnom rozsahu (1957).

Oxidačné stavy

Chemický prvok urán, ktorý je silným elektropozitívnym kovom, reaguje s vodou. Rozpúšťa sa v kyselinách, ale nie v zásadách. Dôležité oxidačné stavy sú +4 (ako v oxide UO 2, tetrahalogenidoch, ako je UCl 4 a ión zelenej vody U 4+) a +6 (ako v oxide UO 3, hexafluoride UF 6 a uranylovom ióne UO 2 2+) . Vo vodnom roztoku je urán najstabilnejší v zložení uranylového iónu, ktorý má lineárnu štruktúru [O = U = O] 2+. Prvok má tiež stavy +3 a +5, ale sú nestabilné. Červený U 3+ pomaly oxiduje vo vode, ktorá neobsahuje kyslík. Farba iónu UO 2 + nie je známa, pretože podlieha disproporcionácii (UO 2 + sa súčasne redukuje na U 4+ a oxiduje na UO 2 + ) aj vo veľmi zriedených roztokoch.

Jadrové palivo

Pri pôsobení pomalých neutrónov dochádza k štiepeniu atómu uránu v relatívne vzácnom izotope 235 U. Ide o jediný prírodný štiepny materiál a musí byť oddelený od izotopu 238 U. Po absorpcii a negatívnom beta rozpade však urán -238 sa mení na syntetický prvok plutónium, ktorý sa štiepi pôsobením pomalých neutrónov. Prírodný urán je preto možné využiť v konvertorových a množivých reaktoroch, v ktorých je štiepenie podporované vzácnym 235 U a súčasne s transmutáciou 238 U vzniká plutónium. Štiepne 233 U možno syntetizovať z izotopu tórium-232, ktorý je v prírode rozšírený, na použitie ako jadrové palivo. Urán je tiež dôležitý ako primárny materiál, z ktorého sa získavajú syntetické transuránové prvky.

Iné využitie uránu

Zlúčeniny chemického prvku sa predtým používali ako farbivá na keramiku. Hexafluorid (UF 6) je tuhá látka s nezvyčajne vysokým tlakom pár (0,15 atm = 15 300 Pa) pri 25 °C. UF 6 je chemicky veľmi reaktívny, ale napriek jeho korozívnej povahe v parnom stave sa UF 6 široko používa v metódach plynovej difúzie a plynovej centrifúgy na získanie obohateného uránu.

Organokovové zlúčeniny sú zaujímavou a dôležitou skupinou zlúčenín, v ktorých väzby kov-uhlík spájajú kov s organickými skupinami. Uranocén je organická zlúčenina U(C8H8)2, v ktorej je atóm uránu vložený medzi dve vrstvy organických kruhov viazaných na C8H8 cyklooktatetraén. Jeho objav v roku 1968 otvoril novú oblasť organokovovej chémie.

Ochudobnený prírodný urán sa používa ako prostriedok radiačnej ochrany, balast, v pancierových projektiloch a pancieroch tankov.

Recyklácia

Chemický prvok, aj keď je veľmi hustý (19,1 g / cm 3), je relatívne slabá, nehorľavá látka. Zdá sa, že kovové vlastnosti uránu ho stavajú niekde medzi striebro a iné pravé kovy a nekovy, takže sa nepoužíva ako konštrukčný materiál. Hlavná hodnota uránu spočíva v rádioaktívnych vlastnostiach jeho izotopov a ich schopnosti štiepenia. V prírode takmer všetok (99,27 %) kov pozostáva z 238 U. Zvyšok tvorí 235 U (0,72 %) a 234 U (0,006 %). Z týchto prírodných izotopov je iba 235 U priamo štiepených neutrónovým ožiarením. Keď sa však absorbuje, 238 U vytvorí 239 U, ktorý sa nakoniec rozpadne na 239 Pu, štiepny materiál veľkého významu pre jadrovú energiu a jadrové zbrane. Ďalší štiepny izotop, 233 U, môže byť produkovaný neutrónovým ožiarením 232 Th.

kryštalické formy

Charakteristiky uránu spôsobujú, že aj za normálnych podmienok reaguje s kyslíkom a dusíkom. Pri vyšších teplotách reaguje so širokým spektrom legujúcich kovov za vzniku intermetalických zlúčenín. Tvorba tuhých roztokov s inými kovmi je zriedkavá kvôli špeciálnym kryštálovým štruktúram tvoreným atómami prvku. Medzi izbovou teplotou a teplotou topenia 1132 °C existuje kovový urán v 3 kryštalických formách známych ako alfa (α), beta (β) a gama (γ). Transformácia z α- na β-stav nastáva pri 668 °C a z β na γ ​​- pri 775 °C. γ-urán má kubickú kryštálovú štruktúru so stredom tela, zatiaľ čo β má tetragonálnu štruktúru. Fáza α pozostáva z vrstiev atómov vo vysoko symetrickej ortorombickej štruktúre. Táto anizotropná deformovaná štruktúra bráni atómom legujúceho kovu nahradiť atómy uránu alebo obsadiť priestor medzi nimi v kryštálovej mriežke. Zistilo sa, že iba molybdén a niób tvoria tuhé roztoky.

rudy

Zemská kôra obsahuje asi 2 častice na milión uránu, čo naznačuje jeho široké rozšírenie v prírode. Odhaduje sa, že oceány obsahujú 4,5 x 109 ton tohto chemického prvku. Urán je dôležitou zložkou viac ako 150 rôznych minerálov a menšou zložkou ďalších 50. Primárne minerály nachádzajúce sa vo vyvrelých hydrotermálnych žilách av pegmatitoch zahŕňajú uraninit a jeho rozmanité smoly. V týchto rudách sa prvok vyskytuje vo forme oxidu, ktorý sa v dôsledku oxidácie môže meniť od UO 2 do UO 2,67. Ďalšími ekonomicky významnými produktmi z uránových baní sú autunit (hydratovaný fosforečnan vápenato-uranylový), tobernit (hydratovaný fosforečnan meďnatý a uranylový), coffinit (čierny hydratovaný kremičitan uránu) a karnotit (hydratovaný uranylvanadičnan draselný).

Odhaduje sa, že viac ako 90 % známych lacných zásob uránu sa nachádza v Austrálii, Kazachstane, Kanade, Rusku, Južnej Afrike, Nigeri, Namíbii, Brazílii, Číne, Mongolsku a Uzbekistane. Veľké ložiská sa nachádzajú v konglomerátnych skalných útvaroch jazera Elliot, ktoré sa nachádza severne od jazera Huron v Ontáriu v Kanade a v juhoafrickej zlatej bani Witwatersrand. Pieskové útvary na náhornej plošine Colorado a vo Wyomingskej panve na západe USA tiež obsahujú významné zásoby uránu.

Baníctvo

Uránové rudy sa nachádzajú v povrchových aj hlbokých (300-1200 m) ložiskách. Hrúbka slojov v podzemí dosahuje 30 m. Podobne ako v prípade rúd iných kovov sa ťažba uránu na povrchu uskutočňuje veľkými zemnými strojmi a ťažba hlbinných ložísk sa uskutočňuje tradičnými metódami zvislej a šikmej. míny. Svetová produkcia uránového koncentrátu v roku 2013 predstavovala 70 tisíc ton Najproduktívnejšie uránové bane sa nachádzajú v Kazachstane (32 % z celkovej produkcie), Kanade, Austrálii, Nigeri, Namíbii, Uzbekistane a Rusku.

Uránové rudy zvyčajne obsahujú len malé množstvo minerálov obsahujúcich urán a nie je možné ich taviť priamymi pyrometalurgickými metódami. Namiesto toho by sa na extrakciu a čistenie uránu mali použiť hydrometalurgické postupy. Zvýšenie koncentrácie značne znižuje zaťaženie spracovateľských okruhov, ale nie je použiteľná žiadna z konvenčných metód zušľachťovania bežne používaných na spracovanie minerálov, ako je gravitácia, flotácia, elektrostatické a dokonca aj ručné triedenie. Až na malé výnimky majú tieto metódy za následok značné straty uránu.

Pálenie

Hydrometalurgickému spracovaniu uránových rúd často predchádza krok vysokoteplotnej kalcinácie. Vypaľovanie dehydruje hlinu, odstraňuje uhlíkaté materiály, oxiduje zlúčeniny síry na neškodné sírany a oxiduje akékoľvek ďalšie redukčné činidlá, ktoré môžu narúšať následné spracovanie.

Vylúhovanie

Urán sa získava z pražených rúd kyslými aj alkalickými vodnými roztokmi. Aby všetky lúhovacie systémy úspešne fungovali, chemický prvok musí byť buď spočiatku prítomný v stabilnejšej 6-valentnej forme, alebo musí byť počas spracovania do tohto stavu oxidovaný.

Kyslé lúhovanie sa zvyčajne uskutočňuje miešaním zmesi rudy a výluhu počas 4 až 48 hodín pri teplote okolia. Okrem zvláštnych okolností sa používa kyselina sírová. Podáva sa v množstvách dostatočných na získanie konečného likéru pri pH 1,5. Schémy lúhovania kyselinou sírovou zvyčajne používajú buď oxid manganičitý alebo chlorečnan na oxidáciu štvormocného U4+ na 6-mocný uranyl (UO22+). Na oxidáciu U 4+ spravidla stačí asi 5 kg oxidu manganičitého alebo 1,5 kg chlorečnanu sodného na tonu. V každom prípade oxidovaný urán reaguje s kyselinou sírovou za vzniku komplexu 4-uranylsulfátového aniónu.

Ruda obsahujúca značné množstvo zásaditých minerálov, ako je kalcit alebo dolomit, sa lúhuje 0,5-1 molárnym roztokom uhličitanu sodného. Hoci boli študované a testované rôzne činidlá, hlavným oxidačným činidlom pre urán je kyslík. Rudy sa zvyčajne lúhujú na vzduchu pri atmosférickom tlaku a teplote 75-80 °C po dobu, ktorá závisí od konkrétneho chemického zloženia. Alkálie reagujú s uránom za vzniku ľahko rozpustného komplexného iónu 4-.

Pred ďalším spracovaním sa roztoky vznikajúce pri kyslom alebo uhličitanovom lúhovaní musia vyčíriť. Oddeľovanie ílov a iných rudných kalov vo veľkom meradle sa uskutočňuje pomocou účinných flokulačných činidiel, vrátane polyakrylamidov, guarovej gumy a živočíšneho lepidla.

Extrakcia

Komplexné ióny 4- a 4- môžu byť sorbované z ich príslušných lúhovacích roztokov iónomeničových živíc. Tieto špeciálne živice, charakteristické svojou sorpčnou a elučnou kinetikou, veľkosťou častíc, stabilitou a hydraulickými vlastnosťami, môžu byť použité v rôznych spracovateľských technológiách, ako je metóda s pevným a pohyblivým lôžkom, košíková a kontinuálna suspenzná metóda iónomeničovej živice. Zvyčajne sa na elúciu adsorbovaného uránu používajú roztoky chloridu sodného a amoniaku alebo dusičnanov.

Urán možno izolovať z kyslých rudných výluhov extrakciou rozpúšťadlom. V priemysle sa používajú alkylfosforečné kyseliny, ako aj sekundárne a terciárne alkylamíny. Vo všeobecnosti platí, že pre kyslé filtráty obsahujúce viac ako 1 g/l uránu sa uprednostňuje extrakcia rozpúšťadlom pred metódami výmeny iónov. Táto metóda však nie je použiteľná na lúhovanie uhličitanov.

Urán sa potom čistí rozpustením v kyseline dusičnej za vzniku dusičnanu uranylu, extrahuje sa, kryštalizuje a kalcinuje za vzniku oxidu UO3. Redukovaný oxid UO2 reaguje s fluorovodíkom za vzniku tetrafluoridu UF4, z ktorého sa kovový urán redukuje horčíkom alebo vápnikom pri teplote 1300 °C.

Tetrafluorid možno fluorovať pri 350 °C za vzniku hexafluoridu UF 6, ktorý sa používa na separáciu obohateného uránu-235 difúziou plynu, odstreďovaním plynu alebo tepelnou difúziou kvapaliny.

Urán nie je veľmi typický aktinoid, je známych päť jeho valenčných stavov - od 2+ do 6+. Niektoré zlúčeniny uránu majú charakteristickú farbu. Takže roztoky trojmocného uránu - červený, štvormocný - zelený a šesťmocný urán - existuje vo forme uranylového iónu (UO 2) 2+ - roztoky farbí do žlta ... Skutočnosť, že šesťmocný urán tvorí zlúčeniny s mnohými organickými komplexotvornými činidlami sa pre technológiu extrakcie prvku č.92 ukázalo ako veľmi dôležité.

Je charakteristické, že vonkajší elektrónový obal iónov uránu je vždy úplne naplnený; valenčné elektróny sú v predchádzajúcej elektrónovej vrstve, v podplášte 5f. Ak porovnáme urán s inými prvkami, je zrejmé, že plutónium je mu najviac podobné. Hlavným rozdielom medzi nimi je veľký iónový polomer uránu. Okrem toho je plutónium najstabilnejšie v štvormocnom stave, zatiaľ čo urán je najstabilnejší v šesťmocnom stave. To pomáha pri ich oddelení, čo je veľmi dôležité: jadrové palivo plutónium-239 sa získava výlučne z uránu, balastný urán-238 z hľadiska energie. Plutónium sa tvorí v hmote uránu a musia byť oddelené!

Predtým však potrebujete získať práve túto masu uránu, ktorá prešla dlhým technologickým reťazcom, počnúc rudou. Spravidla viaczložková ruda chudobná na urán.

Ľahký izotop ťažkého prvku

Keď hovoríme o získaní prvku #92, zámerne sme vynechali jeden dôležitý krok. Ako viete, nie každý urán je schopný podporiť reťazovú jadrovú reakciu. Urán-238, ktorý tvorí 99,28 % prírodnej zmesi izotopov, toho nie je schopný. Z tohto dôvodu sa urán-238 premieňa na plutónium a prirodzená zmes izotopov uránu sa má buď rozdeliť, alebo obohatiť izotopom uránu-235, schopným štiepiť tepelné neutróny.

Na separáciu uránu-235 a uránu-238 bolo vyvinutých mnoho metód. Najčastejšie používanou metódou je plynová difúzia. Jeho podstatou je, že ak zmes dvoch plynov prechádza cez poréznu priečku, potom ten ľahký prejde rýchlejšie. Ešte v roku 1913 F. Aston týmto spôsobom čiastočne oddelil izotopy neónu.

Väčšina zlúčenín uránu je za normálnych podmienok pevná látka a do plynného skupenstva sa môže preniesť len pri veľmi vysokých teplotách, kedy o jemných procesoch separácie izotopov nemôže byť ani reči. Bezfarebná zlúčenina uránu s fluórom - hexafluorid UF 6 však sublimuje už pri 56,5 °C (pri atmosférickom tlaku). UF 6 je najprchavejšia zlúčenina uránu a je najvhodnejšia na separáciu izotopov plynnou difúziou.

Hexafluorid uránu sa vyznačuje vysokou chemickou aktivitou. Korózia potrubí, čerpadiel, nádob, interakcia s mazaním mechanizmov - malý, ale pôsobivý zoznam problémov, ktoré museli tvorcovia difúznych zariadení prekonať. Ťažkosti a vážnejšie sa stretli.

Hexafluorid uránu, získaný fluoráciou prírodnej zmesi izotopov uránu, možno z „difúzneho“ hľadiska považovať za zmes dvoch plynov s veľmi blízkymi molekulovými hmotnosťami – 349 (235 + 19 * 6) a 352 (238). + 19 * 6). Maximálny teoretický separačný faktor v jednom difúznom stupni pre plyny, ktoré sa tak mierne líšia molekulovou hmotnosťou, je len 1,0043. V reálnych podmienkach je táto hodnota ešte nižšia. Ukazuje sa, že zvýšiť koncentráciu uránu-235 z 0,72 na 99 % je možné len pomocou niekoľkých tisícov difúznych krokov. Závody na separáciu izotopov uránu preto zaberajú plochu niekoľkých desiatok hektárov. Plocha poréznych priečok v deliacich kaskádach rastlín je približne rovnakého rádu.

Stručne o ďalších izotopoch uránu

Prírodný urán okrem uránu-235 a uránu-238 zahŕňa urán-234. Obsah tohto vzácneho izotopu je vyjadrený ako číslo so štyrmi desatinnými miestami. Oveľa dostupnejší umelý izotop – urán-233. Získava sa ožiarením tória v toku neutrónov jadrového reaktora:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
Podľa všetkých pravidiel jadrovej fyziky je urán-233 ako zvláštny izotop štiepiteľný tepelnými neutrónmi. A čo je najdôležitejšie, v reaktoroch s uránom-233 môže prebiehať (a deje sa) rozšírená reprodukcia jadrového paliva. V bežnom tepelnom neutrónovom reaktore! Výpočty ukazujú, že keď v tóriovom reaktore zhorí kilogram uránu-233, malo by sa v ňom nahromadiť 1,1 kg nového uránu-233. Zázrak a jedine! Spálili kilogram paliva, no paliva neubudlo.

Takéto zázraky sú však možné len s jadrovým palivom.

Uránovo-tóriový cyklus v tepelných neutrónových reaktoroch je hlavným konkurentom uránovo-plutóniového cyklu pre chov jadrového paliva v rýchlych neutrónových reaktoroch... Vlastne len preto bol prvok č.90, tórium, klasifikovaný ako strategický materiál. .

Ostatné umelé izotopy uránu nehrajú významnú úlohu. Za zmienku stojí len urán-239 - prvý izotop v reťazci premien uránu-238 plutónium-239. Jeho polčas rozpadu je len 23 minút.

Izotopy uránu s hmotnostným číslom vyšším ako 240 sa v moderných reaktoroch nestihnú vytvoriť. Životnosť uránu-240 je príliš krátka a rozpadá sa bez toho, aby mal čas zachytiť neutrón.

V supersilných neutrónových tokoch termonukleárneho výbuchu dokáže jadro uránu zachytiť až 19 neutrónov za milióntinu sekundy. V tomto prípade sa rodia izotopy uránu s hmotnostnými číslami od 239 do 257. Ich existencia sa naučila z objavenia sa v produktoch termonukleárnej explózie vzdialených transuránových prvkov - potomkov ťažkých izotopov uránu. Samotní „zakladatelia rodu“ sú príliš nestabilní voči beta rozpadu a prechádzajú do vyšších prvkov dávno pred extrakciou produktov jadrovej reakcie z horniny zmiešanej výbuchom.

Moderné tepelné reaktory spaľujú urán-235. V už existujúcich rýchlych neutrónových reaktoroch sa uvoľňuje energia jadier rozšíreného izotopu - uránu-238, a ak je energia skutočným bohatstvom, potom jadrá uránu budú v blízkej budúcnosti prínosom pre ľudstvo: energia prvku č. stať základom našej existencie.

Je životne dôležité zabezpečiť, aby urán a jeho deriváty horeli len v jadrových reaktoroch mierových elektrární, horeli pomaly, bez dymu a plameňa.

ĎALŠÍ ZDROJ URÁNU. Dnes sa z nej stala morská voda. Pilotné zariadenia sú už v prevádzke na extrakciu uránu z vody pomocou špeciálnych sorbentov: oxid titánu alebo akrylové vlákno ošetrené určitými činidlami.

KTO KOĽKO. Začiatkom osemdesiatych rokov minulého storočia bola produkcia uránu v kapitalistických krajinách asi 50 000 g ročne (v prepočte na U3O). Približne tretinu tejto sumy poskytol americký priemysel. Na druhom mieste je Kanada a za ňou Južná Afrika. Nigor, Gabon, Namíbia. Z európskych krajín produkuje najviac uránu a jeho zlúčenín Francúzsko, no jeho podiel bol takmer sedemkrát nižší ako v USA.

NETRADIČNÉ ZLÚČENINY. Hoci nie je neopodstatnené tvrdiť, že chémii uránu a plutónia sa dnes rozumieme lepšie ako chémii takých tradičných prvkov, ako je železo, napriek tomu aj dnes chemici vyvíjajú nové zlúčeniny uránu. Takže v roku 1977 časopis Radiochemistry, ročník XIX, č. 6 uvádza dve nové zlúčeniny uranylu. Ich zloženie je MU02(S04)2-SH20, kde M je ión dvojmocného mangánu alebo kobaltu. Skutočnosť, že nové zlúčeniny sú presne dvojité soli a nie zmes dvoch podobných solí, bola dokázaná röntgenovými difrakčnými obrazmi.

Jadrové technológie sú z veľkej časti založené na využívaní rádiochemických metód, ktoré sú zasa založené na jadrovo-fyzikálnych, fyzikálnych, chemických a toxických vlastnostiach rádioaktívnych prvkov.

V tejto kapitole sa obmedzíme na stručný popis vlastností hlavných štiepnych izotopov – uránu a plutónia.

Urán

Urán ( urán) U - prvok aktinidovej skupiny, 7.-0. perióda periodickej sústavy, Z=92, atómová hmotnosť 238,029; najťažšie z tých, ktoré sa nachádzajú v prírode.

Existuje 25 známych izotopov uránu, z ktorých všetky sú rádioaktívne. Najľahší 217U (Tj/ 2 = 26 ms), najťažšie 2 4 2 U (7 T J / 2 = i6,8 min). Existuje 6 jadrových izomérov. V prírodnom uráne sú tri rádioaktívne izotopy: 2 s 8 a (99,2 739 %, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35U (0,7205 %, G, / 2 = 7,04-109 rokov) a 2 34U ( 0,0056 %, Ti/ 2 = 2,48-swl). Špecifická rádioaktivita prírodného uránu je 2,48104 Bq, rozdelená takmer na polovicu medzi 2 34U a 288 U; 235U má malý príspevok (špecifická aktivita izotopu 233 v prírodnom uráne je 21-krát menšia ako aktivita 238U). Prierez zachytávania tepelných neutrónov je 46, 98 a 2,7 barna pre 2 zz, 2 35 U, respektíve 2 3 8 U; štiepny prierez 527 a 584 stodola pre 2 zz a 2 s 8, resp.; prírodná zmes izotopov (0,7% 235U) 4,2 barn.

Tab. 1. Jadrovo-fyzikálne vlastnosti 2 h9 Ri a 2 35C.

Tab. 2. Záchyt neutrónov 2 35C a 2 h 8 C.

Šesť izotopov uránu je schopných spontánneho štiepenia: 282 U, 2 szy, 234U, 235U, 2 s 6 u a 2 s 8 u. Prirodzené izotopy 233 a 235U sa štiepia pôsobením tepelných aj rýchlych neutrónov, kým jadrá 238 a sú schopné štiepenia len vtedy, keď sú zachytené neutróny s energiou vyššou ako 1,1 MeV. Keď sa zachytia neutróny s nižšou energiou, jadrá 288 U sa najskôr premenia na jadrá 2 -i9U, ktoré potom podliehajú rozpadu p a prechádzajú najskôr na 2 - "*9Np a potom na 2 39Pu. Efektívne prierezy na zachytenie tepelné neutróny 2 34U, 2 jadrá 35U a 2 3 8 a rovnajú sa 98, 683 a 2,7 barnam. Úplné štiepenie 2 35U vedie k „ekvivalentu tepelnej energie“ 2-107 kWh/kg. Izotopy 2 35U a 2 zzy sa používajú ako jadrové palivo, schopné podporovať štiepnu reťazovú reakciu.

Jadrové reaktory produkujú n umelých izotopov uránu s hmotnostnými číslami 227-240, z ktorých najdlhšia životnosť je 233U (7 V 2 \u003d i.62 *io 5 rokov); získava sa neutrónovým ožarovaním tória. Izotopy uránu s hmotnostnými číslami 239^257 sa rodia v supersilných neutrónových tokoch termonukleárneho výbuchu.

Urán-232- technogénny nuklid, a-emitor, T x / 2=68,9 rokov, rodičovské izotopy 2 3 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) a 23 2 Pa(p), dcérsky nuklid 228 Th. Intenzita spontánneho štiepenia je 0,47 dielov / s kg.

Urán-232 vzniká v dôsledku nasledujúcich rozpadov:

P + - rozpad nuklidu * 3 a Np (Ti / 2 \u003d 14,7 min):

V jadrovom priemysle vzniká 2 3 2 U ako vedľajší produkt pri syntéze štiepneho (zbraňového) nuklidu 2 33 v tóriovom palivovom cykle. Pri ožiarení 2 3 2 Th neutrónmi nastáva hlavná reakcia:

a vedľajšia dvojkroková reakcia:

K produkcii 232 U z tória dochádza len na rýchlych neutrónoch (E">6 MeV). Ak je vo východiskovej látke 2 s°Th, tak vznik 2 3 2 U je doplnený o reakciu: 2 s°Th + u-> 2 3'Th. Táto reakcia prebieha na tepelných neutrónoch. Generácia 2 3 2 U je nežiaduca z viacerých dôvodov. Potláča sa použitím tória s minimálnou koncentráciou 23°Th.

Rozpad 2 z 2 prebieha v týchto smeroch:

Pokles v 228 Th (pravdepodobnosť 100 %, energia rozpadu 5,414 MeV):

energia emitovaných a-častíc je 5,263 MeV (v 31,6 % prípadov) a 5,320 MeV (v 68,2 % prípadov).

• - spontánne štiepenie (pravdepodobnosť menšia ako ~ 12 %);
• - rozpad klastra s tvorbou nuklidu 28 Mg (pravdepodobnosť rozpadu je menšia ako 5 * 10 "12%):

Rozpad klastra s tvorbou nuklidu 2

Urán-232 je predchodcom dlhého rozpadového reťazca, ktorý zahŕňa nuklidy - žiariče tvrdých y-kvantát:

^U-(3,64 dňa, 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.

Akumulácia 2 3 2 U je nevyhnutná pri produkcii 2 zzy v cykle energie tória. Intenzívne y-žiarenie vznikajúce pri rozpade 2 3 2 U bráni rozvoju energie tória. Je nezvyčajné, že párny izotop 2 3 2 11 má vysoký štiepny prierez pri pôsobení neutrónov (75 barn pre tepelné neutróny), ako aj vysoký prierez zachytávania neutrónov - 73 barn. 2 3 2 U sa používa v metóde rádioaktívnych indikátorov v chemickom výskume.

2 z 2 a je predchodcom dlhého rozpadového reťazca (podľa schémy 2 z 2 Th), ktorý zahŕňa nuklidy emitujúce tvrdé y-kvantá. Akumulácia 2 3 2 U je nevyhnutná pri produkcii 2 zzy v cykle energie tória. Intenzívne γ-žiarenie vznikajúce pri rozpade 232 U bráni rozvoju energie tória. Nezvyčajné je, že párny izotop 2 3 2 U má vysoký štiepny prierez pri pôsobení neutrónov (75 barn pre tepelné neutróny), ako aj vysoký prierez zachytávania neutrónov - 73 barn. 2 3 2 U sa často používa v metóde rádioaktívnych indikátorov v chemickom a fyzikálnom výskume.

Urán-233- technogénny rádionuklid, a-emitor (energie 4,824 (82,7 %) a 4,783 MeV (14,9 %),), Tvi= 1,585105 rokov, materské nuklidy 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +) -> 2 33Pa(p), dcérsky nuklid 22 9Th. 2 zzi sa získavajú v jadrových reaktoroch z tória: 2 s 2 Th zachytí neutrón a zmení sa na 2 zz Th, ktorý sa rozpadne na 2 zz Pa a potom na 2 zz. Jadrá 2 zzi (nepárny izotop) sú schopné samovoľného štiepenia aj štiepenia pôsobením neutrónov akejkoľvek energie, vďaka čomu sú vhodné na výrobu atómových zbraní aj reaktorového paliva. Efektívny štiepny prierez je 533 barn, zachytávací prierez je 52 barn, výťažok neutrónov je 2,54 na štiepnu udalosť a 2,31 na absorbovaný neutrón. Kritická hmotnosť 2 zz je trikrát menšia ako kritická hmotnosť 2 35 U (-16 kg). Intenzita spontánneho štiepenia je 720 prípadov / s kg.

Urán-233 vzniká v dôsledku nasledujúcich rozpadov:

- (3 + -rozpad nuklidu 2 33Np (7^=36,2 min):

V priemyselnom meradle sa 2 zzi získava z 2 32Th ožiarením neutrónmi:

Keď je neutrón absorbovaný, jadro 234 sa zvyčajne štiepi, ale občas zachytí neutrón a zmení sa na 234U. Hoci 2 zzy absorbuje neutrón, zvyčajne sa štiepi, napriek tomu niekedy zachráni neutrón a zmení sa na 2 34U. Prevádzkový čas 2 zz sa uskutočňuje v rýchlych aj v tepelných reaktoroch.

Zo zbraňového hľadiska je 2 zzi porovnateľný s 2 39 Pu: jeho rádioaktivita je 1/7 aktivity 2 39 Pu. (Ti/ 2 \u003d 159200 l oproti 24100 l pre Pu), kritická hmotnosť 2 szi je o 6o % vyššia ako u IgPu (16 kg oproti 10 kg) a rýchlosť spontánneho štiepenia je 20-krát vyššia (b-u - “ oproti 310 10). Tok neutrónov z 239Pu je 3-krát vyšší ako z 239Pu. Vytvorenie jadrovej nálože na báze 2 sz vyžaduje väčšie úsilie ako na ^Pu. Hlavnou prekážkou je prítomnosť nečistoty 232U v 232U, ktorej y-žiarenie rozpadových projektov sťažuje prácu s 2zzi a uľahčuje detekciu hotových zbraní. Navyše, krátky polčas rozpadu 2 3 2 U z neho robí aktívny zdroj a-častíc. 2 zzi s 1 % 232 a má 3-krát silnejšiu a-aktivitu ako plutónium na úrovni zbraní, a teda vyššiu rádiotoxicitu. Táto a-aktivita spôsobuje vznik neutrónov v ľahkých prvkoch náboja zbrane. Na minimalizáciu tohto problému by mala byť prítomnosť prvkov ako Be, B, F, Li minimálna. Prítomnosť neutrónového pozadia neovplyvňuje činnosť implozívnych systémov, ale pre schémy zbraní sa vyžaduje vysoká úroveň čistoty ľahkých prvkov. zgi nie je škodlivý a dokonca žiaduci, pretože znižuje možnosť použitia uránu na účely zbraní .Po spracovaní vyhoretého jadrového paliva a opätovnom použití paliva dosahuje obsah 232U 0,1 + 0,2 %.

Rozpad 2 zzy prebieha v nasledujúcich smeroch:

A-rozpad za 22 9th (pravdepodobnosť 100 %, energia rozpadu 4,909 MeV):

energia emitovaných n-častíc je 4,729 MeV (v 1,61 % prípadov), 4,784 MeV (v 13,2 % prípadov) a 4,824 MeV (v 84,4 % prípadov).

• - spontánne štiepenie (pravdepodobnosť
• - rozpad klastra za vzniku nuklidu 28 Mg (pravdepodobnosť rozpadu je menšia ako 1,3*10 -13%):

Rozpad klastra za vzniku nuklidu 24 Ne (pravdepodobnosť rozpadu 7,3-10-“%):

Decay chain 2 zz patrí do série Neptunium.

Špecifická rádioaktivita je 2 zzi 3,57-8 Bq/g, čo zodpovedá a-aktivite (a rádiotoxicite) -15 % plutónia. Len 1 % 2 3 2 U zvyšuje rádioaktivitu na 212 mCi/g.

Urán-234(Urán II, UII) je súčasťou prírodného uránu (0,0055 %), 2,445105 rokov, a-emitor (energia a-častíc 4,777 (72 %) a

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

dcérsky izotop v 2 s't.

Obvykle je 234 U v rovnováhe s 2 3 8 u, rozpadá sa a formuje sa rovnakou rýchlosťou. Približne polovicu rádioaktivity prírodného uránu tvorí príspevok 234U. Zvyčajne sa 234U získava iónovo-výmennou chromatografiou starých prípravkov čistého 238 Pu. Pri a-rozpade sa *34U prepožičiava na 234U, takže staré prípravky 238Pu sú dobrým zdrojom 234U. 100 g 2s8Pu obsahuje 776 mg 234U po roku, po 3 rokoch

2,2 g 2 34U. Koncentrácia 2 34U vo vysoko obohatenom uráne je pomerne vysoká v dôsledku preferenčného obohatenia ľahkými izotopmi. Keďže 234u je silný y-emitor, existujú obmedzenia na jeho koncentráciu v uráne určenom na spracovanie na palivo. Zvýšená hladina 234i je pre reaktory prijateľná, ale prepracované VJP obsahuje už neprijateľné hladiny tohto izotopu.

Rozpad 234u prebieha v nasledujúcich líniách:

A-rozpad pri 23°T (pravdepodobnosť 100 %, energia rozpadu 4,857 MeV):

energia emitovaných a-častíc je 4,722 MeV (v 28,4 % prípadov) a 4,775 MeV (v 71,4 % prípadov).

• - spontánne štiepenie (pravdepodobnosť 1,73-10-9%).
• - rozpad klastra za vzniku nuklidu 28 Mg (pravdepodobnosť rozpadu je 1,4-10 "n%, podľa iných zdrojov 3,9-10-"%):

• - rozpad klastra za vzniku nuklidov 2 4Ne a 26 Ne (pravdepodobnosť rozpadu je 9-10", 2%, podľa iných údajov 2,3-10 - 11%):

Známy je jediný izomér 2 34ti (Tx/ 2 = 33,5 μs).

Absorpčný prierez 2 34U tepelných neutrónov je 10 barnov a pre rezonančný integrál spriemerovaný na rôzne stredné neutróny 700 barnov. Preto sa v tepelných neutrónových reaktoroch mení na štiepny 235U rýchlejším tempom ako oveľa väčšie množstvo 238U (s prierezom 2,7 barna) na 239Pu. Výsledkom je, že VJP obsahuje menej 234 U ako čerstvé palivo.

Urán-235 patrí do rodiny 4P + 3, je schopný vyvolať štiepnu reťazovú reakciu. Ide o prvý izotop, na ktorom bola objavená reakcia núteného štiepenia jadier pôsobením neutrónov. Absorbovaním neutrónu prechádza 235U do 2 zbi, ktoré sú rozdelené na dve časti, pričom uvoľňujú energiu a vyžarujú niekoľko neutrónov. Izotop 2 35U štiepiteľný neutrónmi akejkoľvek energie, schopný spontánneho štiepenia, je súčasťou prírodného utánu (0,72 %), a-emitor (energie 4,397 (57 %) a 4,367 (18 %) MeV), Ti/j=7,038-tých 8 rokov, materské nuklidy 2 35Pa, 2 35Np a 2 39Pu, dcérska - 23"Th. Intenzita samovoľného štiepenia 2 3su 0,16 dielikov/s kg. Štiepením jedného 2 35U jadra sa uvoľní 200 MeV energie = 3,2 Yu p J, t.j. 18 TJ/mol = 77 TJ/kg. Prierez štiepenia tepelnými neutrónmi je 545 barnov a rýchlymi neutrónmi - 1,22 barnov, výťažok neutrónov: na štiepnu udalosť - 2,5, na absorbovaný neutrón - 2,08.

Komentujte. Prierez zachytávania pomalých neutrónov na vytvorenie izotopu 2 ​​si (10 barn), takže celkový absorpčný prierez pomalých neutrónov je 645 barn.

• - spontánne štiepenie (pravdepodobnosť 7*10~9%);
• - rozpad klastra za vzniku nuklidov 2 °Ne, 2 5Ne a 28 Mg (pravdepodobnosti sú 8-io - 10%, 8-kg 10%, 8 * 10 ",0%):

Ryža. jeden.

Jediný známy izomér je 2 35n»u (7/ 2 = 26 min).

Špecifická aktivita 2 35C 7,77-u 4 Bq/g. Kritická hmotnosť uránu na zbrane (93,5% 2 35U) pre guľu s reflektorom je 15-7-23 kg.

Fission 2 » 5U sa používa v atómových zbraniach, na výrobu energie a na syntézu dôležitých aktinoidov. Reťazová reakcia je udržiavaná vďaka prebytku neutrónov vznikajúcich pri štiepení 2 35C.

Urán-236 vyskytuje sa na Zemi v prírode v stopových množstvách (na Mesiaci je to viac), a-emitor (?

Ryža. 2. Rádioaktívna rodina 4/7+2 (vrátane -3 8 a).

V atómovom reaktore 233 absorbuje tepelný neutrón, potom sa štiepi s pravdepodobnosťou 82% a emituje y-kvantum s pravdepodobnosťou 18% a mení sa na 236 a . V malých množstvách je súčasťou čerstvého paliva; sa hromadí pri ožarovaní uránu neutrónmi v reaktore, a preto sa používa ako „signalizačné zariadenie“ VJP. 2 h b a vzniká ako vedľajší produkt pri separácii izotopov plynnou difúziou pri regenerácii použitého jadrového paliva. 236 U vyrobených v energetickom reaktore je neutrónový jed, jeho prítomnosť v jadrovom palive je kompenzovaná vysokou úrovňou obohatenia 2 35U.

2b a používa sa ako indikátor miešania pre oceánske vody.

urán-237,T&= 6,75 dňa, beta a gama žiarič, možno získať jadrovými reakciami:

Detekcia 287 a vykonaná pozdĺž liniek s eu= o.v MeV (36 %), 0,114 MeV (0,06 %), 0,165 MeV (2,0 %), 0,208 MeV (23 %)

237U sa používa v metóde rádioaktívnych indikátorov v chemickom výskume. Meranie koncentrácie (2 4°Am) v spade z testu atómovej zbrane poskytuje cenné informácie o type nálože a použitom zariadení.

Urán-238- patrí do rodiny 4P + 2, štiepny s vysokoenergetickými neutrónmi (viac ako 1,1 MeV), schopný samovoľného štiepenia, tvorí základ prírodného uránu (99,27 %), a-emitor, 7'; /2=4>468-109 rokov, priamo sa rozkladá na 2 34Th, tvorí množstvo geneticky príbuzných rádionuklidov a po 18 produktoch sa mení na 206 Pb. Čistý 2 3 8 U má špecifickú rádioaktivitu 1,22-104 Bq. Polčas rozpadu je veľmi dlhý - asi 10 16 rokov, takže pravdepodobnosť štiepenia vo vzťahu k hlavnému procesu - emisii a-častice - je iba 10 "7. Jeden kilogram uránu dáva iba 10 spontánnych štiepení na druhá a za rovnaký čas a-častica emituje 20 miliónov jadier Rodičovské nuklidy: 2 4 2 Pu(a), *spa(p-) 234Th, dcéra T,/ 2 = 2 :i 4 th.

Urán-238 vzniká v dôsledku nasledujúcich rozpadov:

2 (V0 4) 2] 8Н 2 0. Zo sekundárnych minerálov je bežný hydratovaný fosforečnan vápenatý Ca (U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Často je urán v mineráloch sprevádzaný ďalšími užitočnými prvkami - titánom. , tantal, vzácne zeminy. Preto je prirodzené snažiť sa o komplexné spracovanie rúd s obsahom uránu.

Základné fyzikálne vlastnosti uránu: atómová hmotnosť 238,0289 am.u. (g/mol); atómový polomer 138 pm (1 pm = 12 m); ionizačná energia (prvý elektrón 7,11 eV; elektronická konfigurácia -5f36d‘7s 2; oxidačné stavy 6, 5, 4, 3; G P l \u003d 113 2, 2 °; T t 1 = 3818°; hustota 19,05; merná tepelná kapacita 0,115 JDKmol); pevnosť v ťahu 450 MPa, skupenské teplo topenia 12,6 kJ/mol, vyparovacie teplo 417 kJ/mol, merná tepelná kapacita 0,115 J/(mol-K); molárny objem 12,5 cm3/mol; charakteristická Debyeova teplota © D = 200K, teplota prechodu do supravodivého stavu je 0,68K.

Urán je ťažký, strieborno-biely, lesklý kov. Je o niečo mäkšia ako oceľ, kujná, pružná, má mierne paramagnetické vlastnosti a v práškovom stave je samozápalná. Urán má tri alotropné formy: alfa (rombický, a-U, mriežkové parametre 0=285, b= 587, c=49b pm, stabilný do 667,7°), beta (tetragonálny, p-U, stabilný od 667,7 do 774,8°), gama (s kubickou mriežkou centrovanou na telo, y-U, existujúci od 774,8° do bodov topenia, frm= ii34 0), pri ktorej je urán najviac tvárny a vhodný na spracovanie.

Pri izbovej teplote je rombická a-fáza stabilná, prizmatická štruktúra pozostáva z vlnitých atómových vrstiev rovnobežných s rovinou abc, v extrémne asymetrickej hranolovej mriežke. V rámci vrstiev sú atómy tesne spojené, pričom sila väzieb medzi atómami susedných vrstiev je oveľa slabšia (obr. 4). Táto anizotropná štruktúra sťažuje tavenie uránu s inými kovmi. Len molybdén a niób vytvárajú zliatiny v tuhom stave s uránom. Kovový urán však môže interagovať s mnohými zliatinami a vytvárať intermetalické zlúčeniny.

V intervale 668 ^ 775 ° sa nachádza (3-uránová. mriežka tetragonálneho typu má vrstvenú štruktúru s vrstvami rovnobežnými s rovinou ab v pozíciách 1/4С, 1/2 s a 3/4C základná bunka. Pri teplotách nad 775° vzniká y-urán s kubickou mriežkou centrovanou na telo. Prídavok molybdénu umožňuje mať y-fázu pri izbovej teplote. Molybdén tvorí s y-uránom širokú škálu tuhých roztokov a stabilizuje y-fázu pri izbovej teplote. y-Urán je oveľa mäkší a tvárnejší ako krehké a- a (3-fázové.

Neutrónové ožarovanie má významný vplyv na fyzikálne a mechanické vlastnosti uránu, spôsobuje zväčšenie veľkosti vzorky, zmenu tvaru, ako aj prudké zhoršenie mechanických vlastností (tečenie, krehnutie) uránových blokov počas prevádzka jadrového reaktora. Nárast objemu je spôsobený akumuláciou uránu pri štiepení nečistôt prvkov s nižšou hustotou (prekl. 1% urán na fragmentačné prvky zväčšuje objem o 3,4 %).

Ryža. 4. Niektoré kryštálové štruktúry uránu: a - a-urán, b - p-urán.

Najbežnejšími spôsobmi získavania uránu v kovovom stave sú redukcia ich fluoridov alkalickými kovmi alebo kovmi alkalických zemín alebo elektrolýza tavenín ich solí. Urán možno získať aj metalotermickou redukciou z karbidov volfrámom alebo tantalom.

Schopnosť ľahko darovať elektróny určuje redukčné vlastnosti uránu a jeho vysokú chemickú aktivitu. Urán môže interagovať s takmer všetkými prvkami, okrem vzácnych plynov, pričom nadobúda oxidačné stavy +2, +3, +4, +5, +6. V riešení je hlavná valencia 6+.

Kovový urán, ktorý rýchlo oxiduje na vzduchu, je pokrytý dúhovým filmom oxidu. Jemný prášok uránu sa na vzduchu samovoľne vznieti (pri teplotách 1504-175°), tvorí a;) Ov. Pri 1000° sa urán spája s dusíkom za vzniku žltého nitridu uránu. Voda je schopná reagovať s kovom pomaly pri nízkych teplotách a rýchlo pri vysokých teplotách. Urán prudko reaguje s vriacou vodou a parou a uvoľňuje vodík, ktorý tvorí s uránom hydrid.

Táto reakcia je intenzívnejšia ako spaľovanie uránu v kyslíku. Takáto chemická aktivita uránu si vyžaduje ochranu uránu v jadrových reaktoroch pred kontaktom s vodou.

Urán sa rozpúšťa v kyseline chlorovodíkovej, dusičnej a iných kyselinách, pričom vytvára soli U(IV), ale neinteraguje s alkáliami. Urán vytláča vodík z anorganických kyselín a soľných roztokov kovov, ako je ortuť, striebro, meď, cín, platina a zlato. Pri silnom trasení začnú kovové častice uránu žiariť.

Vlastnosti štruktúry elektrónových obalov atómu uránu (prítomnosť ^/-elektrónov) a niektoré jeho fyzikálno-chemické vlastnosti slúžia ako základ pre klasifikáciu uránu ako aktinidu. Existuje však chemická analógia medzi uránom a Cr, Mo a W. Urán je vysoko reaktívny a reaguje so všetkými prvkami okrem vzácnych plynov. V pevnej fáze sú príkladmi U(VI) oxid uranyl U03 a chlorid uranyl U02C12. Chlorid uraničitý UC1 4 a oxid uraničitý U0 2

Príklady U(IV). Látky obsahujúce U(IV) sú zvyčajne nestabilné a po dlhšom vystavení vzduchu sa stávajú šesťmocnými.

V systéme urán-kyslík je inštalovaných šesť oxidov: UO, U0 2, U 4 0 9 a 3 Ov, U0 3 . Vyznačujú sa širokou oblasťou homogénnosti. U02 je zásaditý oxid, zatiaľ čo U03 je amfotérny. U0 3 - interaguje s vodou za vzniku množstva hydrátov, z ktorých najdôležitejšie sú kyselina diurónová H 2 U 2 0 7 a kyselina uránová H 2 1U 4. S alkáliami U0 3 tvorí soli týchto kyselín - uranáty. Keď sa U03 rozpustí v kyselinách, vytvoria sa soli s dvojitým nábojom uranylového katiónu U02a+.

Oxid uraničitý U02 má stechiometrické zloženie hnedej farby. Keď sa obsah kyslíka v oxide zvyšuje, farba sa mení z tmavohnedej na čiernu. Kryštalická štruktúra typu CaF 2, a = 0,547 nm; hustota 10,96 g/cm* (najvyššia hustota spomedzi oxidov uránu). T , pl \u003d 2875 0, T kn „ \u003d 3450 °, D # ° 298 \u003d -1084,5 kJ / mol. Oxid uraničitý je polovodič s dierovou vodivosťou, silný paramagnet. MAC = 0,015 mg/m3. Nerozpúšťajme vo vode. Pri teplote -200° pridáva kyslík, pričom dosahuje zloženie U0 2>25.

Oxid uránový (IV) možno získať reakciami:

Oxid uraničitý má iba zásadité vlastnosti, zodpovedá zásaditému hydroxidu U (OH) 4, ktorý sa následne mení na hydratovaný hydroxid U0 2 H 2 0. Oxid uraničitý sa v neprítomnosti vzdušného kyslíka pomaly rozpúšťa v silných neoxidačných kyselinách za vzniku W + ióny:

U02 + 2H2S04 ->U(S04)2 + 2H20. (38)

Je rozpustný v koncentrovaných kyselinách a rýchlosť rozpúšťania sa môže výrazne zvýšiť pridaním iónu fluóru.

Po rozpustení v kyseline dusičnej vzniká uranylový ión 1U 2 2+:

Triuran octoxide U 3 0s (oxid uránu) - prášok, ktorého farba sa mení od čiernej po tmavozelenú; pri silnom drvení - olivovozelená farba. Veľké čierne kryštály zanechávajú na porceláne zelené ťahy. Sú známe tri kryštalické modifikácie U30 h: a-U3C>8 - kosoštvorcová kryštálová štruktúra (šp. gr. C222; 0=0,671 nm; 6=1,197 nm; c=0,83 nm; d =0,839 nm); p-U 3 0e - kosoštvorcová kryštálová štruktúra (priestorová grupa Stst; 0 = 0,705 nm; 6 = 1,172 nm; 0 = 0,829 nm. Začiatok rozkladu je 100 ° (ide na 110 2), MPC = 0,075 mg / m3.

U3C>8 možno získať reakciou:

Kalcináciou U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 alebo (NH 4) 2 U 2 0 7 pri 750 0 na vzduchu alebo v kyslíkovej atmosfére ( p = 150 + 750 mm Hg) prijímajú stechiometricky čistý U 3 08.

Keď sa U 3 0s kalcinuje pri T > 100°, zníži sa na 110 2, avšak po ochladení na vzduchu sa vráti na U 3 0s. U 3 0e sa rozpúšťa len v koncentrovaných silných kyselinách. V kyseline chlorovodíkovej a sírovej vzniká zmes U(IV) a U(VI) a v kyseline dusičnej vzniká dusičnan uranyl. Zriedená kyselina sírová a chlorovodíková reagujú s U 3 Os aj pri zahrievaní veľmi slabo, pridanie oxidačných činidiel (kyselina dusičná, pyrolusit) prudko zvyšuje rýchlosť rozpúšťania. Koncentrovaná H2S04 rozpúšťa U3Os za vzniku U(S04)2 a U02S04. Kyselina dusičná rozpúšťa U 3 Oe za vzniku dusičnanu uranylu.

Oxid uránový, U0 3 - kryštalická alebo amorfná látka jasne žltej farby. Reaguje s vodou. MPC \u003d 0,075 mg/m3.

Získava sa kalcináciou polyuranátu amónneho, peroxidu uránu, oxalátu uranylu pri 300-500 ° a hexahydrátu dusičnanu uranylu. V tomto prípade sa vytvorí oranžový prášok amorfnej štruktúry s hustotou

6,8 g/cm. Kryštalickú formu IO3 možno získať oxidáciou U308 pri teplotách 450°-750° v prúde kyslíka. Existuje šesť kryštalických modifikácií U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 je hygroskopický a vo vlhkom vzduchu sa mení na hydroxid uranylu. ďalším zahrievaním na 6oo° je možné získať U 3 Os.

Vodík, amoniak, uhlík, alkalické kovy a kovy alkalických zemín redukujú U03 na U02. Prechodom zmesi plynov HF a NH3 vzniká UF4. V najvyššej valencii má urán amfotérne vlastnosti. Pôsobením kyselín U0 3 alebo jeho hydrátov vznikajú uranylové soli (U0 2 2+), sfarbené do žltozelena:

Väčšina uranylových solí je vysoko rozpustná vo vode.

S alkáliami pri tavení U0 3 tvorí soli kyseliny uránovej - uranáty MDKH,:

S alkalickými roztokmi tvorí oxid uraničitý soli polyuránových kyselín - polyuranáty dgM 2 0y110 3 pH^O.

Soli kyseliny uránovej sú vo vode prakticky nerozpustné.

Kyslé vlastnosti U(VI) sú menej výrazné ako tie zásadité.

Urán reaguje s fluórom pri izbovej teplote. Stabilita vyšších halogenidov klesá z fluoridov na jodidy. Fluoridy UF3, U4F17, U2F9 a UF4 sú neprchavé a UFe je prchavé. Najdôležitejšie z fluoridov sú UF 4 a UFe.

Ftpppippyanir okgilya t "yanya ppptrkart v praxi:

Reakcia vo fluidnom lôžku sa uskutočňuje podľa rovnice:

Je možné použiť fluoračné činidlá: BrF 3, CC1 3 F (freón-11) alebo CC1 2 F 2 (freón-12):

Fluorid uránu (1U) UF 4 ("zelená soľ") - prášok od modrozelenej až po smaragdovú farbu. G 11L \u003d SW6 °; G na, ",. \u003d -1730°. DYa ° 298 = 1856 kJ / mol. Kryštalická štruktúra je jednoklonná (sp. gp C2/c; 0 = 1,273 nm; 5 = 1,075 nm; 0 = 0,843 nm; d= 6,7 nm; p \u003d 12b ° 20 "; hustota 6,72 g / cm3. UF 4 je stabilná, neaktívna, neprchavá zlúčenina, zle rozpustná vo vode. Najlepším rozpúšťadlom pre UF 4 je dymivá kyselina chloristá HC10 4. Rozpúšťa sa v oxidačných kyselinách za vzniku uranylovej soli sa rýchlo rozpúšťa v horúcom roztoku Al(N0 3) 3 alebo A1C1 3, ako aj v roztoku kyseliny boritej okyslenej H 2 S0 4, HC10 4 alebo HC1 alebo kyseliny boritej. rozpúšťanie UF 4. Tvorí množstvo ťažko rozpustných podvojných solí s fluoridmi iných kovov (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 atď.) NH 4 UF 5 má priemyselný význam.

Fluorid U(IV) je medziproduktom pri príprave

UF6 aj kovový urán.

UF 4 možno získať reakciami:

alebo elektrolytickou redukciou fluoridu uranylu.

Hexafluorid uránu UFe - pri izbovej teplote kryštály slonoviny s vysokým indexom lomu. Hustota

5,09 g/cm3, hustota kvapalného UFe je 3,63 g/cm3. Lietajúce spojenie. Tvoag = 5^>5°> Gil = 64,5° (pod tlakom). Tlak nasýtených pár dosiahne atmosféru pri 560°. Entalpia tvorby AR° 29 8 = -2116 kJ/mol. Kryštálová štruktúra je kosoštvorcová (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. Z pevného stavu môže UF6 sublimovať z pevnej fázy (sublimovať) do plynu, pričom obchádza kvapalnú fázu v širokom rozsahu tlakov. Teplo sublimácie pri 50 0 50 kJ/mg. Molekula nemá dipólový moment, takže UF6 sa nespája. Pary UFr, - ideálny plyn.

Získava sa pôsobením fluóru na U jeho zlúčenín:

Okrem reakcií v plynnej fáze existujú aj reakcie v kvapalnej fáze.

získanie UF6 napríklad pomocou halogénfluoridov

Existuje spôsob, ako získať UF6 bez použitia fluóru - oxidáciou UF 4:

UFe nereaguje so suchým vzduchom, kyslíkom, dusíkom a CO 2, ale pri kontakte s vodou, dokonca aj so stopami, podlieha hydrolýze:

Interaguje s väčšinou kovov, vytvára ich fluoridy, čo komplikuje spôsoby jeho skladovania. Vhodné materiály nádob na prácu s UF6 sú: Ni, Monel a Pt pri zahrievaní, teflón, absolútne suchý kremeň a sklo, meď a hliník za studena. Pri teplotách 25 yuo 0 vytvára komplexné zlúčeniny s fluoridmi alkalických kovov a striebra typu 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Dobre sa rozpúšťa v rôznych organických kvapalinách, anorganických kyselinách a vo všetkých halogénfluoridoch. Inertné voči sušeniu 02, N2, C02, C12, Br2. UFr sa vyznačuje redukčnými reakciami s väčšinou čistých kovov. UF6 prudko reaguje s uhľovodíkmi a inými organickými látkami, takže uzavreté nádoby s UFe môžu explodovať. UF6 v rozsahu 25 - 100° tvorí komplexné soli s fluoridmi alkalických a iných kovov. Táto vlastnosť sa využíva v technológii na selektívnu extrakciu UF

Hydridy uránu UH2 a UH3 zaberajú medziľahlú polohu medzi hydridmi podobnými soli a hydridmi, ako sú tuhé roztoky vodíka v kove.

Keď urán reaguje s dusíkom, tvoria sa nitridy. V systéme U-N sú známe štyri fázy: UN (nitrid uránu), a-U 2 N 3 (sesquinitrid), p-U 2 N 3 a OSN If90. Nie je možné dosiahnuť zloženie UN 2 (dinitrid). Spoľahlivé a dobre kontrolované sú syntézy mononitridu uránu UN, ktoré sa najlepšie robia priamo z prvkov. Nitridy uránu sú práškové látky, ktorých farba sa mení od tmavosivej po sivú; vyzerať ako kov. UN má kubickú plošne centrovanú kryštálovú štruktúru, ako je NaCl (0=4,8892 A); (/ = 14,324, 7 ^ = 2855 °, stabilný vo vákuu do 1700 0. Získava sa reakciou U alebo U hydridu s N 2 alebo NH 3 , rozklad vyšších nitridov U pri 1300 ° alebo ich redukcia kovovým uránom. U2N3 je známy v dvoch polymorfných modifikáciách: kubický a a hexagonálny p (0=0,3688 nm, 6=0,5839 nm), uvoľňuje N2 vo vákuu nad 8oo°. Získava sa redukciou UN 2 vodíkom. Dinitrid UN 2 sa syntetizuje reakciou U s N 2 pri vysokom tlaku N 2 . Nitridy uránu sú ľahko rozpustné v kyselinách a zásadách, ale rozkladajú sa roztavenými zásadami.

Nitrid uránu sa získava dvojstupňovou karbotermickou redukciou oxidu uránu:

Zahrievanie v argóne pri 7M450 0 počas 10 * 20 hodín

Pôsobením amoniaku na UF 4 pri vysokej teplote a tlaku je možné získať nitrid uránu so zložením blízkym dinitridu, UN 2 .

Dinitrid uránu sa pri zahrievaní rozkladá:

Nitrid uránu, obohatený o 2 35 U, má vyššiu hustotu štiepenia, tepelnú vodivosť a bod topenia ako oxidy uránu, tradičné palivo moderných energetických reaktorov. Má tiež dobrú mechanickú stabilitu a prevyšuje tradičné palivo. Preto sa táto zlúčenina považuje za sľubný základ pre reaktory s rýchlymi neutrónmi na jadrové palivo (jadrové reaktory IV. generácie).

Komentujte. OSN je veľmi užitočné obohatiť sa o ‘5N, pretože ,4N má tendenciu zachytávať neutróny, pričom reakciou (n,p) vzniká rádioaktívny izotop 14C.

Karbid uránu UC 2 (?-fáza) je svetlošedá kryštalická látka s kovovým leskom. V systéme U-C (karbidy uránu) sú UC 2 (?-fáza), UC 2 (b 2-fáza), U 2 C 3 (e-fáza), UC (b 2-fáza) - karbidy uránu. Dikarbid uránu UC 2 možno získať reakciami:

U + 2C ^ UC 2 (54v)

Karbidy uránu sa používajú ako palivo pre jadrové reaktory, perspektívne sú ako palivo pre motory vesmírnych rakiet.

Uranylnitrát, uranylnitrát, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Úlohu kovu v tejto soli zohráva uranylový katión 2+. Žlté kryštály so zelenkastým leskom, ľahko rozpustné vo vode. Vodný roztok je kyslý. Rozpustný v etanole, acetóne a éteri, nerozpustný v benzéne, toluéne a chloroforme. Pri zahriatí sa kryštály topia a uvoľňujú HN0 3 a H 2 0. Kryštalický hydrát na vzduchu ľahko eroduje. Charakteristickou reakciou je, že pôsobením NH 3 vzniká žltá zrazenina urátu amónneho.

Urán je schopný vytvárať organické zlúčeniny kovov. Príkladmi sú cyklopentadienylové deriváty zloženia U(C5H5)4 a ich halogénované u(C5H5)3G alebo u(C5H5)2G2.

Vo vodných roztokoch je urán najstabilnejší v oxidačnom stave U(VI) vo forme uranylového iónu U0 2 2+. V menšej miere sa vyznačuje stavom U(IV), ale môže existovať aj vo forme U(III). Oxidačný stav U(V) môže existovať ako ión IO2+, ale tento stav sa zriedkavo pozoruje kvôli tendencii k disproporcionácii a hydrolýze.

V neutrálnych a kyslých roztokoch U(VI) existuje ako U0 2 2+ - žltý uranylový ión. Medzi dobre rozpustné uranylové soli patrí dusičnan U0 2 (N0 3) 2, síran U0 2 S0 4, chlorid U0 2 C1 2, fluorid U0 2 F 2, acetát U0 2 (CH 3 C00) 2. Tieto soli sa izolujú z roztokov vo forme kryštalických hydrátov s rôznym počtom molekúl vody. Málo rozpustné soli uranylu sú: oxalát U0 2 C 2 0 4, fosforečnany U0 2 HP0., a UO2P2O4, fosforečnan amónny, uranylfosforečnan UO2NH4PO4, uranylvanadičnan sodný NaU02V04, ferokyanid (U02) 2. Uranylový ión sa vyznačuje tendenciou vytvárať komplexné zlúčeniny. Sú teda známe komplexy s fluórovými iónmi typu -, 4-; dusičnanové komplexy a 2*; síranové komplexy 2" a 4-; uhličitanové komplexy 4" a 2" atď. Pôsobením alkálií na roztoky uranylových solí sa uvoľňujú ťažko rozpustné zrazeniny diuranátov typu Me 2 U 2 0 7 (Me 2 U0 4 monouranáty sa z roztokov neizolujú, získavajú sa fúziou oxidov uránu s alkáliami) Známe sú polyuranáty Me 2 U n 0 3 n+i (napríklad Na 2 U60i 9).

U(VI) sa redukuje v kyslých roztokoch na U(IV) železom, zinkom, hliníkom, hydrosiričitanom sodným a amalgámom sodným. Roztoky sú zafarbené na zeleno. Alkálie zrážajú hydroxid a z nich 0 2 (0H) 2, kyselina fluorovodíková - fluorid UF 4 -2,5H 2 0, kyselina šťaveľová - šťavelan U (C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Tendencia k tvorbe komplexov v U. 4+ iónov menej ako iónov uránu.

Urán (IV) v roztoku je vo forme U 4+ iónov, ktoré sú vysoko hydrolyzované a hydratované:

Hydrolýza je inhibovaná v kyslých roztokoch.

Urán (VI) v roztoku tvorí uranyloxokáciu - U0 2 2+ Je známych množstvo zlúčenín uranu, ktorých príklady sú: 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, ZnU02 (CH3C00) 4 atď.

Počas hydrolýzy uranylového iónu vzniká množstvo viacjadrových komplexov:

Pri ďalšej hydrolýze sa objaví U30s (0H)2 a potom U308 (0H)42-.

Na kvalitatívnu detekciu uránu sa využívajú metódy chemickej, luminiscenčnej, rádiometrickej a spektrálnej analýzy. Chemické metódy sú založené najmä na tvorbe farebných zlúčenín (napríklad červeno-hnedá farba zlúčeniny s ferokyanidom, žltá s peroxidom vodíka, modrá s arzenázovým činidlom). Luminiscenčná metóda je založená na schopnosti mnohých zlúčenín uránu poskytnúť žltkasto-zelenkastú žiaru pôsobením UV lúčov.

Kvantitatívne stanovenie uránu sa vykonáva rôznymi metódami. Najdôležitejšie z nich sú: volumetrické metódy, spočívajúce v redukcii U(VI) na U(IV) s následnou titráciou roztokmi oxidačných činidiel; hmotnostné metódy - zrážanie uranátov, peroxid, U(IV) kupferranáty, oxychinolát, šťavelan atď. nasleduje ich kalcinácia pri 100° a vážení U 30s; polarografické metódy v roztoku dusičnanov umožňujú stanoviť 10 x 7 x 10-9 g uránu; početné kolorimetrické metódy (napríklad s H202 v alkalickom prostredí, s arzenázovým činidlom v prítomnosti EDTA, s dibenzoylmetánom, vo forme tiokyanátového komplexu atď.); luminiscenčná metóda, ktorá umožňuje určiť pri fúzii s NaF k ty 11 g uránu.

235U patrí do skupiny A radiačného nebezpečenstva, minimálna významná aktivita MZA=3,7-10 4 Bq, 2 s 8 a - do skupiny D, MZA=3,7-10 6 Bq (300 g).

Obsah článku

URAN, U (urán), kovový chemický prvok z rodiny aktinidov, ktorý zahŕňa Ac, Th, Pa, U a transuránové prvky (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr ). Urán sa preslávil jeho využitím v jadrových zbraniach a jadrovej energii. Oxidy uránu sa používajú aj na farbenie skla a keramiky.

Nález v prírode.

Obsah uránu v zemskej kôre je 0,003 %, vyskytuje sa v povrchovej vrstve zeme vo forme štyroch typov ložísk. Po prvé, ide o žily uraninitu, alebo uránového smoly (oxid uránový UO 2), veľmi bohatý na urán, ale vzácny. Sú sprevádzané ložiskami rádia, pretože rádium je priamym produktom izotopového rozpadu uránu. Takéto žily sa nachádzajú v kanadskom Zaire (Veľké medvedie jazero), v Českej republike a vo Francúzsku. Druhým zdrojom uránu sú konglomeráty tória a uránovej rudy spolu s rudami ďalších dôležitých minerálov. Konglomeráty zvyčajne obsahujú dostatočné množstvo zlata a striebra na extrakciu a sprievodnými prvkami sa stávajú urán a tórium. Veľké ložiská týchto rúd sa nachádzajú v Kanade, Južnej Afrike, Rusku a Austrálii. Tretím zdrojom uránu sú sedimentárne horniny a pieskovce bohaté na minerál karnotit (draselný uranylvanadičnan), ktorý obsahuje okrem uránu aj značné množstvo vanádu a ďalších prvkov. Takéto rudy sa nachádzajú v západných štátoch Spojených štátov amerických. Železo-uránové bridlice a fosfátové rudy tvoria štvrtý zdroj ložísk. Bohaté ložiská sa nachádzajú v bridliciach Švédska. Niektoré fosfátové rudy v Maroku a USA obsahujú značné množstvo uránu a ložiská fosfátov v Angole a Stredoafrickej republike sú na urán ešte bohatšie. Väčšina lignitov a niektoré uhlie zvyčajne obsahujú uránové nečistoty. Ložiská hnedého uhlia bohaté na urán sa našli v Severnej a Južnej Dakote (USA) a bitúmenové uhlie v Španielsku a Českej republike.

Otvorenie.

Urán objavil v roku 1789 nemecký chemik M. Klaproth, ktorý prvok pomenoval na počesť objavu planéty Urán o 8 rokov skôr. (Klaproth bol popredným chemikom svojej doby; objavil aj ďalšie prvky vrátane Ce, Ti a Zr.) V skutočnosti látka získaná Klaprothom nebol elementárny urán, ale jeho oxidovaná forma a elementárny urán bol prvým získal francúzsky chemik E. .Peligot v roku 1841. Od okamihu objavenia až do 20. stor. urán nebol taký dôležitý ako dnes, aj keď mnohé z jeho fyzikálnych vlastností, ako aj atómová hmotnosť a hustota boli stanovené. V roku 1896 A. Becquerel zistil, že uránové soli majú žiarenie, ktoré osvetľuje fotografickú platňu v tme. Tento objav podnietil chemikov k výskumu v oblasti rádioaktivity a v roku 1898 francúzski fyzici, manželia P. Curie a M. Sklodowska-Curie, izolovali soli rádioaktívnych prvkov polónia a rádia a E. Rutherford, F. Soddy, C. Faience a ďalší vedci vyvinuli teóriu rádioaktívneho rozpadu, ktorá položila základy modernej jadrovej chémie a jadrovej energetiky.

Prvé aplikácie uránu.

Hoci rádioaktivita uránových solí bola známa, jeho rudy sa v prvej tretine tohto storočia využívali len na získanie sprievodného rádia a urán bol považovaný za nežiaduci vedľajší produkt. Jeho využitie sa sústreďovalo najmä v technológii keramiky a v hutníctve; Oxidy uránu boli široko používané na farbenie skla vo farbách od svetložltej po tmavozelenú, čo prispelo k rozvoju lacnej výroby skla. Dnes sú výrobky z týchto odvetví označené ako fluorescenčné pod ultrafialovým svetlom. Počas prvej svetovej vojny a krátko po nej sa urán vo forme karbidu používal pri výrobe nástrojových ocelí, podobne ako Mo a W; 4–8 % urán nahradil volfrám, ktorého výroba bola v tom čase obmedzená. Na získavanie nástrojových ocelí sa v rokoch 1914–1926 vyrábalo ročne niekoľko ton feruránu s obsahom až 30 % (hmot.) U. Toto využitie uránu však nemalo dlhé trvanie.

Moderné využitie uránu.

Uránový priemysel sa začal formovať v roku 1939, keď sa uskutočnilo štiepenie izotopu uránu 235 U, čo viedlo k technickej realizácii riadených reťazových reakcií štiepenia uránu v decembri 1942. To bol zrod éry atómu, keď sa urán zmenil z vedľajšieho prvku na jeden z najdôležitejších prvkov v živote spoločnosti. Vojenský význam uránu pre výrobu atómovej bomby a jeho využitie ako paliva v jadrových reaktoroch vyvolal astronomický nárast dopytu po uráne. Zaujímavá chronológia rastu dopytu po uráne vychádza z histórie ložísk vo Veľkom medvediem jazere (Kanada). V roku 1930 bola v tomto jazere objavená živicová zmes, zmes oxidov uránu a v roku 1932 bola v tejto oblasti zavedená technológia na čistenie rádia. Z každej tony rudy (dechtovej zmesi) sa získal 1 g rádia a asi pol tony vedľajšieho produktu - uránového koncentrátu. Rádia však bolo málo a jeho ťažba bola zastavená. V rokoch 1940 až 1942 bol vývoj obnovený a uránová ruda bola expedovaná do USA. V roku 1949 sa podobné čistenie uránu s určitými úpravami použilo na výrobu čistého UO2. Táto produkcia sa rozrástla a dnes je jednou z najväčších produkcií uránu.

Vlastnosti.

Urán je jedným z najťažších prvkov v prírode. Čistý kov je veľmi hustý, tvárny, elektropozitívny s nízkou elektrickou vodivosťou a vysoko reaktívny.

Urán má tri alotropické modifikácie: a-urán (ortorombická kryštálová mriežka), existuje v rozmedzí od izbovej teploty do 668 °C; b- urán (komplexná kryštalická mriežka tetragonálneho typu), stabilná v rozmedzí 668–774 ° С; g- urán (kubická kryštálová mriežka so stredom tela), stabilný od 774 °C do bodu topenia (1132 °C). Pretože všetky izotopy uránu sú nestabilné, všetky jeho zlúčeniny vykazujú rádioaktivitu.

Izotopy uránu

238 U, 235 U, 234 U sa v prírode nachádza v pomere 99,3:0,7:0,0058 a 236U v stopových množstvách. Všetky ostatné izotopy uránu od 226 U do 242 U sa získavajú umelo. Zvlášť dôležitý je izotop 235 U. Pôsobením pomalých (tepelných) neutrónov sa delí za uvoľnenia obrovskej energie. Úplné štiepenie 235 U má za následok uvoľnenie „ekvivalentu tepelnej energie“ 2h 107 kWh/kg. Štiepenie 235 U možno využiť nielen na výrobu veľkého množstva energie, ale aj na syntézu ďalších dôležitých aktinidových prvkov. Prírodný izotopový urán sa môže použiť v jadrových reaktoroch na produkciu neutrónov produkovaných štiepením 235 U, zatiaľ čo nadbytočné neutróny, ktoré reťazová reakcia nevyžaduje, môžu byť zachytené iným prírodným izotopom, čo vedie k produkcii plutónia:

Pri bombardovaní 238 U rýchlymi neutrónmi dochádza k nasledujúcim reakciám:

Podľa tejto schémy sa najbežnejší izotop 238 U môže premeniť na plutónium-239, ktoré je rovnako ako 235 U schopné štiepenia pod vplyvom pomalých neutrónov.

V súčasnosti sa získalo veľké množstvo umelých izotopov uránu. Medzi nimi je 233 U pozoruhodné najmä tým, že sa tiež štiepi pri interakcii s pomalými neutrónmi.

Niektoré ďalšie umelé izotopy uránu sa často používajú ako rádioaktívne značky (značky) v chemickom a fyzikálnom výskume; je to v prvom rade b- žiarič 237 U a a- žiarič 232 U.

Spojenia.

Urán, vysoko reaktívny kov, má oxidačné stavy od +3 do +6, v sérii aktivít je blízky berýliu, interaguje so všetkými nekovmi a vytvára intermetalické zlúčeniny s Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg Mg, Ni, Pb, Sn a Zn. Jemne rozptýlený urán je obzvlášť reaktívny a pri teplotách nad 500 °C často vstupuje do reakcií charakteristických pre hydrid uránu. Kusový urán alebo hobliny jasne horia pri 700 – 1000 °C, zatiaľ čo pary uránu horia už pri 150 – 250 °C, urán reaguje s HF pri 200 – 400 °C za vzniku UF 4 a H 2 . Urán sa pomaly rozpúšťa v koncentrovanom HF alebo H 2 SO 4 a 85 % H 3 PO 4 aj pri 90 ° C, ale ľahko reaguje s konc. HCl a menej aktívne s HBr alebo HI. Najaktívnejšie a najrýchlejšie prebiehajú reakcie uránu so zriedenou a koncentrovanou HNO 3 za vzniku dusičnanu uranylu ( Pozri nižšie). V prítomnosti HCl sa urán rýchlo rozpúšťa v organických kyselinách a vytvára organické soli U 4+. V závislosti od stupňa oxidácie tvorí urán niekoľko druhov solí (najdôležitejšie z nich s U 4+, jedna z nich UCl 4 je ľahko oxidovateľná zelená soľ); uranylové soli (radikál UO 2 2+) typu UO 2 (NO 3) 2 sú žlté a fluoreskujú zeleno. Uranylové soli vznikajú rozpustením amfotérneho oxidu UO 3 (žltá farba) v kyslom prostredí. V alkalickom prostredí UO 3 tvorí uranáty typu Na 2 UO 4 alebo Na 2 U 2 O 7. Posledná uvedená zlúčenina ("žltý uranyl") sa používa na výrobu porcelánových glazúr a pri výrobe fluorescenčných skiel.

Halogenidy uránu boli široko študované v 40. – 50. rokoch 20. storočia, pretože boli základom pre vývoj metód separácie izotopov uránu pre atómovú bombu alebo jadrový reaktor. Fluorid uraničitý UF 3 sa získal redukciou UF 4 vodíkom a fluorid uránový UF 4 sa získava rôznymi spôsobmi reakciami HF s oxidmi ako UO 3 alebo U 3 O 8 alebo elektrolytickou redukciou uranylových zlúčenín. Hexafluorid uránu UF 6 sa získava fluoráciou U alebo UF 4 elementárnym fluórom alebo pôsobením kyslíka na UF 4 . Hexafluorid tvorí priehľadné kryštály s vysokým indexom lomu pri 64 °C (1137 mmHg); zlúčenina je prchavá (sublimuje pri 56,54 °C za normálnych tlakových podmienok). Oxohalogenidy uránu, napríklad oxofluoridy, majú zloženie UO 2 F 2 (fluorid uranyl), UOF 2 (difluorid oxidu uránového).

Urán je jedným z prvkov ťažkých kovov v periodickej tabuľke prvkov. Urán je široko používaný v energetickom a vojenskom priemysle. V periodickej tabuľke sa nachádza pod číslom 92 a označuje sa latinským písmenom U s hmotnostným číslom 238.

Ako bol objavený Urán

Vo všeobecnosti je taký chemický prvok ako urán známy už veľmi dlho. Je známe, že ešte pred naším letopočtom sa prírodný oxid uránu používal na výrobu žltej glazúry na keramiku. O objave tohto prvku možno uvažovať v roku 1789, keď nemecký chemik Martin Heinrich Klaproth získal z rudy materiál podobný čiernemu kovu. Martin sa rozhodol nazvať tento materiál Urán, aby podporil názov novoobjavenej planéty s rovnakým názvom (planéta Urán bola objavená v tom istom roku). V roku 1840 sa ukázalo, že tento materiál, ktorý objavil Klaproth, sa ukázal byť oxidom uránu, a to aj napriek charakteristickému kovovému lesku. Eugene Melchior Peligot syntetizoval atómový urán z oxidu a určil jeho atómovú hmotnosť na 120 AU a v roku 1874 Mendelejev túto hodnotu zdvojnásobil a umiestnil ho do najvzdialenejšej bunky svojho stola. Len o 12 rokov neskôr Mendelejevovo rozhodnutie zdvojnásobiť hmotnosť potvrdili experimenty nemeckého chemika Zimmermanna.

Kde a ako sa ťaží urán

Urán je pomerne bežný prvok, no bežne sa vyskytuje vo forme uránovej rudy. Aby ste pochopili, jeho obsah v zemskej kôre je 0,00027% z celkovej hmotnosti Zeme. Uránová ruda sa zvyčajne nachádza v kyslých minerálnych horninách s vysokým obsahom kremíka. Hlavnými typmi uránových rúd sú smolinec, karnotit, kasolit a samarskit. Najväčšie zásoby uránových rúd, berúc do úvahy rezervné ložiská, sú krajiny ako Austrália, Rusko a Kazachstan, a medzi nimi Kazachstan zaujíma vedúce postavenie. Ťažba uránu je veľmi zložitý a nákladný postup. Nie všetky krajiny si môžu dovoliť ťažiť a syntetizovať čistý urán. Technológia výroby je nasledovná: v baniach sa ťaží ruda alebo minerály, porovnateľné so zlatom alebo drahými kameňmi. Vyťažené horniny sa rozdrvia a zmiešajú s vodou, aby sa oddelil uránový prach od zvyšku. Uránový prach je veľmi ťažký, a preto sa zráža rýchlejšie ako ostatné. Ďalším krokom je čistenie uránového prachu z iných hornín kyslým alebo alkalickým lúhovaním. Postup vyzerá asi takto: zmes uránu sa zahreje na 150 °C a pod tlakom sa dodáva čistý kyslík. V dôsledku toho vzniká kyselina sírová, ktorá čistí urán od iných nečistôt. No a v konečnej fáze sa vyberú už čisté častice uránu. Okrem uránového prachu existujú aj ďalšie užitočné minerály.

Nebezpečenstvo rádioaktívneho žiarenia z uránu

Každý dobre pozná pojem ako rádioaktívne žiarenie a skutočnosť, že spôsobuje nenapraviteľné poškodenie zdravia, ktoré vedie k smrti. Urán je len jedným z týchto prvkov, ktoré môžu za určitých podmienok uvoľňovať rádioaktívne žiarenie. Vo voľnej forme, v závislosti od svojej odrody, môže vyžarovať alfa a beta lúče. Alfa lúče nepredstavujú pre človeka veľké nebezpečenstvo, ak je žiarenie vonkajšie, pretože toto žiarenie má nízku prenikavú silu, ale keď vstúpi do tela, spôsobí nenapraviteľné škody. Dokonca aj list papiera na písanie stačí na to, aby obsahoval vonkajšie alfa lúče. S beta žiarením sú veci vážnejšie, ale nie o veľa. Prenikavá sila beta žiarenia je vyššia ako u alfa žiarenia, ale na zachytenie beta žiarenia je potrebných 3-5 mm tkaniva. Ako by ste povedali? Urán je rádioaktívny prvok, ktorý sa používa v jadrových zbraniach! Je to tak, používa sa v jadrových zbraniach, ktoré spôsobujú obrovské škody všetkému živému. Práve pri výbuchu jadrovej hlavice je hlavné poškodenie živých organizmov spôsobené gama žiarením a tokom neutrónov. Tieto druhy žiarenia vznikajú v dôsledku termonukleárnej reakcie pri výbuchu hlavice, ktorá odstraňuje častice uránu zo stabilného stavu a ničí všetok život na Zemi.

Odrody uránu

Ako bolo uvedené vyššie, urán má niekoľko odrôd. Odrody naznačujú prítomnosť izotopov, aby ste pochopili, že izotopy zahŕňajú rovnaké prvky, ale s rôznymi hmotnostnými číslami.

Sú teda dva typy:

1. Prírodné;
2. Umelé;

Ako ste možno uhádli, prírodný je ten, ktorý sa ťaží zo zeme a umelí ľudia tvoria sami. Medzi prírodné patria izotopy uránu s hmotnostným číslom 238, 235 a 234. Navyše U-234 je potomkom U-238, to znamená, že prvý sa získava rozpadom druhého v prírodných podmienkach. Druhá skupina izotopov, ktoré sú vytvorené umelo, má hmotnostné čísla od 217 do 242. Každý z izotopov má iné vlastnosti a za určitých podmienok sa vyznačuje odlišným správaním. V závislosti od potrieb sa jadroví vedci snažia nájsť najrôznejšie riešenia problémov, pretože každý izotop má inú energetickú hodnotu.

Polčasy rozpadu

Ako už bolo spomenuté vyššie, každý z izotopov uránu má inú energetickú hodnotu a iné vlastnosti, jednou z nich je polčas rozpadu. Aby ste pochopili, čo to je, musíte začať s definíciou. Polčas rozpadu je čas, za ktorý sa počet rádioaktívnych atómov zníži na polovicu. Polčas rozpadu ovplyvňuje mnoho faktorov, napríklad jeho energetickú hodnotu alebo úplné vyčistenie. Ak vezmeme ako príklad posledné uvedené, potom môžeme vypočítať, za aké časové obdobie dôjde k úplnému vyčisteniu od rádioaktívnej kontaminácie zeme. Polčasy izotopov uránu:

Ako je možné vidieť z tabuľky, polčas rozpadu izotopov sa pohybuje od minút po stovky miliónov rokov. Každý z nich nachádza svoje uplatnenie v rôznych oblastiach ľudského života.

Aplikácia

Využitie uránu je veľmi široké v mnohých oblastiach činnosti, no najväčšiu hodnotu má v energetickej a vojenskej sfére. Najväčší záujem je o izotop U-235. Jeho výhodou je, že je schopný samostatne udržiavať jadrovú reťazovú reakciu, ktorá je široko používaná v armáde na výrobu jadrových zbraní a ako palivo v jadrových reaktoroch. Okrem toho má urán široké využitie v geológii na určovanie veku minerálov a hornín, ako aj na určovanie priebehu geologických procesov. V automobilovom a leteckom priemysle sa ochudobnený urán používa ako protizávažie a centrovací prvok. Využitie sa našlo aj v maliarstve, konkrétnejšie ako farba na porcelán a na výrobu keramických glazúr a emailov. Za ďalší zaujímavý bod možno považovať použitie ochudobneného uránu na ochranu pred rádioaktívnym žiarením, akokoľvek zvláštne to znie.