Kemijski element uran: svojstva, karakteristike, formula. Vađenje i primjena urana

Uran je kemijski element obitelji aktinida s atomskim brojem 92. To je najvažnije nuklearno gorivo. Njegova koncentracija u zemljinoj kori iznosi oko 2 dijela na milijun. Važni uranovi minerali uključuju uranijev oksid (U ₃ O ₈ ), uraninit (UO ₂ ), karnotit (uranil-kalij vanadat), otenit (uranil-kalijev fosfat) i torbernite (vodeni bakar i uranil fosfat). Te i druge uranove rude su izvori nuklearnog goriva i sadrže mnogo više energije od svih poznatih ležišta fosilnih goriva. 1 kg urana ₉₂ U daje toliko energije kao i 3 milijuna kilograma ugljena.

Povijest otkrića

Kemijski element uran je gust, čvrst metal srebrno-bijele boje. On je duktilan, savitljiv i lak za poliranje. U zraku se metal oksidira i zapali u osnovnom stanju. Provodi električnu energiju relativno slabo. Elektronska formula urana je 7s2 6d1 5f3.

Iako je taj element otkrio 1789. godine njemački kemičar Martin Heinrich Klaproth, koji ga je nazvao u čast nedavno otkrivenoj planeti Uran, sam metal je 1841. izolirao francuski kemičar Eugene-Melchior Peligo reducirajući kalij iz uranijevog tetraklorida (UCl ₄ ).

radioaktivnost

Stvaranje periodičnog sustava od strane ruskog kemičara Dmitrija Mendeljeva 1869. godine usmjerilo se na uran kao najteži od poznatih elemenata koji je ostao do otkrića neptunija 1940. godine. Francuski fizičar Henri Becquerel 1896. otkrio je u njemu fenomen radioaktivnosti. Ovo svojstvo je kasnije pronađeno u mnogim drugim supstancama. Sada je poznato da se radioaktivni uran u svim svojim izotopima sastoji od mješavine ²³⁸ U (99,27%, vrijeme poluraspada - 4 510 000 000 godina), ²³⁵ U (0,72%, vrijeme poluraspada - 713 000 000 godina) i ²³⁴ U (0.006%, poluživot - 247.000 godina). To, na primjer, omogućuje određivanje starosti stijena i minerala za proučavanje geoloških procesa i starosti zemlje. Da bi se to postiglo, mjere količinu olova, koji je krajnji proizvod radioaktivnog raspada urana. U ovom slučaju, ²³⁸ U je početni element, a ²³⁴ U je jedan od proizvoda. ²³⁵ U stvara niz propadanja aktinija.

Lančana reakcija otvaranja

Kemijski element urana postao je predmetom širokog interesa i intenzivnog istraživanja nakon što su njemački kemičari Otto Hahn i Fritz Strassmann krajem 1938., kada su bombardirani sporim neutronima, otkrili nuklearnu fisiju u njoj. Početkom 1939. američki fizičar talijanskog podrijetla Enrico Fermi predložio je da među proizvodima atomske fisije mogu biti elementarne čestice koje mogu generirati lančanu reakciju. Godine 1939. američki fizičari Leo Szillard i Herbert Anderson, kao i francuski kemičar Frederic Joliot-Curie i njihovi kolege potvrdili su to predviđanje. Naknadne studije su pokazale da se, u prosjeku, pri raspadanju atoma, oslobađaju 2,5 neutrona. Ta su otkrića dovela do prve samoodržive nuklearne lančane reakcije (12/02/1942), prve atomske bombe (16.07.1945.), Njezine prve uporabe tijekom neprijateljstava (08.06.1945.), Prve atomske podmornice (1955.) i prve nuklearne elektrane u punoj veličini ( 1957).

Oksidacijska stanja

Kemijski element uranij, koji je jak elektropozitivni metal, reagira s vodom. Otapa se u kiselinama, ali ne u alkalijama. Važna oksidacijska stanja su +4 (kao u UO2 oksidu, tetrahalidi, kao što su UCl ₄ , i zeleni vodeni ioni U ⁴⁺ ) i +6 (kao u UO3 oksidu, UF ₆ heksafluoridu i uranilnom ionu UO ₂ ²⁺ ). U vodenoj otopini uran je najstabilniji u sastavu uranilnog iona, koji ima linearnu strukturu [O = U = O] ²⁺ . Element također ima stanja +3 i +5, ali su nestabilna. Crveni U ^{3+ se} polako oksidira u vodi koja ne sadrži kisik. Boja iona UO ₂ ⁺ je nepoznata, jer je podvrgnuta disproporcijaciji (UO ₂ ⁺ istovremeno smanjuje do U ⁴⁺ i oksidira se do UO ₂ ²⁺ ) čak iu vrlo razrijeđenim otopinama.

Nuklearno gorivo

Pri izlaganju sporim neutronima, fisija uranovog atoma javlja se u relativno rijetkom izotopu ²³⁵ U. To je jedini prirodni fisibilni materijal, koji se mora odvojiti od izotopa ²³⁸ U. koji se razdvaja pod djelovanjem sporih neutrona. Stoga se prirodni uran može koristiti u konvertorskim reaktorima i uzgajivačima u kojima se dioba održava na rijetkim ²³⁵ U, a plutonij se proizvodi istodobno s transmutacijom od ²³⁸ U. Iz izotopa torij-232 koji je široko rasprostranjen u prirodi, fisijski ²³³ U se može sintetizirati za upotrebu kao nuklearno gorivo. Uran je također važan kao primarni materijal iz kojeg se dobivaju sintetski transuranski elementi.

Ostala uporaba urana

Spojevi kemijskog elementa prethodno su se koristili kao boje za keramiku. Heksafluorid (UF ₆ ) je krutina s neobično visokim tlakom pare (0,15 atm = 15 300 Pa) na 25 ° C. UF _{6 je} kemijski vrlo reaktivan, ali unatoč svojoj korozivnoj prirodi u stanju pare, UF _{6 se} široko koristi u metodama plinske difuzije i plinske centrifuge za proizvodnju obogaćenog urana.

Organometalni spojevi zanimljiva su i važna skupina spojeva u kojima metalno-ugljične veze kombiniraju metal s organskim skupinama. Uranocen je organo-uranski spoj U (C8H8) ₂ , u kojem je atom urana u sendviču između dva sloja organskih prstenova povezanih s ciklooktaterenom C8H8. Njegovo otkriće 1968. otvorilo je novo područje organometalne kemije.

Osiromašeni prirodni uran koristi se kao sredstvo zaštite od zračenja, balasta, u oklopima i oklopu spremnika.

obrada

Kemijski element, iako vrlo gust (19,1 g / cm3), je relativno slaba, nezapaljiva tvar. Doista, metalna svojstva urana su je postavila negdje između srebra i drugih pravih metala i nemetala, pa se ne koriste kao strukturni materijal. Glavna vrijednost urana leži u radioaktivnim svojstvima njegovih izotopa i njihovoj sposobnosti podjele. U prirodi se gotovo sav (99,27%) metal sastoji od ²³⁸ U. Ostatak je ²³⁵ U (0,72%) i ²³⁴ U (0,006%). Od tih prirodnih izotopa, samo ²³⁵ U izravno se cijepa neutronskim zračenjem. Međutim, kada se apsorbira, ²³⁸ U tvori ²³⁹ U, što se u konačnici raspada na materijal koji se može raspršiti, što je od velike važnosti za nuklearnu energiju i nuklearno oružje. Drugi fisijski izotop, ²³³ U, može se proizvesti neutronskim zračenjem od ²³² Th.

Kristalni oblici

Karakteristike urana određuju njegovu reakciju s kisikom i dušikom čak i pod normalnim uvjetima. Na višim temperaturama reagira sa širokim rasponom doping metala i tvori intermetalne spojeve. Nastajanje krutih otopina s drugim metalima rijetko je zbog posebnih kristalnih struktura koje tvore atomi elementa. Između sobne temperature i točke tališta od 1132 ° C, metalni uranij postoji u 3 kristalne forme, poznatim kao alfa (α), beta (β) i gama (γ). Transformacija iz α- u β-stanje događa se na 668 ° C i od β do γ - na 775 ° C. γ-uranij ima kubičnu kristalnu strukturu usredotočenu na tijelo, a β-tetragonalnu. Faza α sastoji se od atomskih slojeva u visoko-simetričnoj ortorombičkoj strukturi. Ova anizotropna izobličena struktura sprečava doping atome metala iz zamjene atoma urana ili zauzima prostor između njih u kristalna rešetka. Utvrđeno je da čvrste otopine tvore samo molibden i niobij.

ruda

Kora sadrži oko 2 dijela urana na milijun, što ukazuje na njegovu široku rasprostranjenost u prirodi. Procjenjuje se da oceani sadrže 4,5 × 10 ⁹ tona tog kemijskog elementa. Uranij je važna komponenta više od 150 različitih minerala i manje važna komponenta od još 50. Primarni minerali pronađeni u magmatskim hidrotermalnim venama i pegmatitima uključuju uraninit i njegovu raznolikost nasturan. U tim rudama element se javlja u obliku dioksida, koji zbog oksidacije može varirati od UO ₂ do UO _2.67 . Ostali ekonomski značajni proizvodi rudnika urana su autunite (hidratirani uranil kalcijev fosfat), tobernite (hidratirani uranil bakreni fosfat), kofiniti (crni hidratirani uranijev silikat) i carnotit (hidratirani uranil kalij vanadat).

Procjenjuje se da je više od 90% poznatih jeftinih rezervi urana u Australiji, Kazahstanu, Kanadi, Rusiji, Južnoj Africi, Nigeru, Namibiji, Brazilu, NRK-u, Mongoliji i Uzbekistanu. Velike naslage nalaze se u konglomeratnim stijenama jezera Elliot, smještene sjeverno od jezera Huron u Ontariju, u Kanadi, te u južnoafričkom rudniku zlata Witwatersrande. Pješčane formacije na visoravni Colorado iu bazenu Wyoming u zapadnim Sjedinjenim Državama također sadrže značajne rezerve urana.

vađenje

Rude urana nalaze se u podzemnim i dubokim (300-1200 m) sedimentima. Pod zemljom debljina akumulacije dostiže 30 m. Kao iu slučaju ruda drugih metala, vađenje urana na površini vrši se masovnom zemljanom opremom, a razvoj dubokih sedimenata provodi se tradicionalnim metodama vertikalnih i kosih mina. Globalna proizvodnja uranovog koncentrata u 2013. iznosila je 70 tisuća tona, a najproduktivniji rudnici urana nalaze se u Kazahstanu (32% ukupne proizvodnje), Kanadi, Australiji, Nigeru, Namibiji, Uzbekistanu i Rusiji.

Uranove rude obično uključuju samo malu količinu minerala koji sadrže uranij i nisu podložni taljenju izravnim pirometalurškim metodama. Umjesto toga, treba koristiti hidrometalurške postupke za ekstrakciju i pročišćavanje urana. Povećanje koncentracije značajno smanjuje opterećenje procesnih krugova, ali nijedna od uobičajenih metoda obogaćivanja koje se obično koriste za obradu minerala, kao što su gravitacija, flotacija, elektrostatika, pa čak i ručno sortiranje, nije primjenjiva. Uz nekoliko iznimaka, ove metode dovode do značajnog gubitka urana.

pucanje

Hidrometalurškoj preradi uranovih ruda često prethodi faza kalcinacije visoke temperature. Kalcinacija dehidrira glinu, uklanja ugljične materijale, oksidira sumporne spojeve u bezopasne sulfate i oksidira sve druge redukcijske agense koji mogu ometati naknadnu obradu.

ispiranje

Uran se izdvaja iz spaljenih ruda i kiselim i alkalnim vodenim otopinama. Da bi svi sustavi ispiranja uspješno funkcionirali, kemijski element mora ili biti inicijalno prisutan u stabilnijem 6-valentnom obliku, ili biti oksidiran do tog stanja tijekom obrade.

Ispiranje kiseline obično se provodi miješanjem smjese rude i luženja tijekom 4-48 sati na temperaturi okoline. Osim u posebnim okolnostima sumporna kiselina. Poslužuje se u količinama dovoljnim da se dobije konačna tekućina pri pH 1,5. Šeme ispiranja sumpornom kiselinom obično koriste ili manganov dioksid ili klorat za oksidaciju tetravalentnog U ⁴⁺ do 6-valentnog uranila (UO ₂ ²⁺ ). U pravilu je za oksidaciju U ⁴⁺ dostatno oko 5 kg mangan-dioksida ili 1,5 kg natrijevog klorata po toni. U svakom slučaju, oksidirani uran reagira sa sumpornom kiselinom kako bi se stvorio uranil sulfatni kompleksni anion [UO2 (SO4) ₃ ] ^4- .

Ruda koja sadrži značajnu količinu osnovnih minerala, kao što je kalcit ili dolomit, ispire se s 0,5-1 molarnom otopinom natrijev karbonat. Iako su proučavani i testirani različiti reagensi, kisik je glavni oksidant urana. Tipično, ruda se ispire u zraku pri atmosferskom tlaku i na temperaturi od 75-80 ° C u vremenskom razdoblju koje ovisi o specifičnom kemijskom sastavu. Alkali reagiraju s uranom u obliku lako topljivog kompleksnog iona [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ^4- .

Prije daljnje obrade treba razjasniti otopine nastale kiselim ili karbonatnim ispiranjem. Velika separacija gline i drugog mulja iz rude provodi se korištenjem učinkovitih flokulacijskih sredstava, uključujući poliakrilamide, guar gumu i životinjsko ljepilo.

vađenje

Kompleksni ioni [UO2 (CO3) ₃ ] ^4- i [UO2 (SO4) ₃ ] ^4- mogu se sorbirati iz njihovih odgovarajućih otopina za ispiranje ionskih izmjenjivačkih smola. Ove posebne smole, koje karakterizira kinetika njihove sorpcije i eluiranja, veličina čestica, stabilnost i hidraulička svojstva, mogu se koristiti u različitim tehnologijama obrade, na primjer u fiksnom i pokretnom sloju, postupkom ionsko-izmjenjivačke smole u pulpi košare i kontinuiranog tipa. Obično se za eluiranje sorbiranog urana koriste otopine natrijevog klorida i amonijaka ili nitrata.

Uran se može izolirati iz kiselinske rude tekućinom ekstrakcijom otapala. Industrija koristi alkilne fosforne kiseline, kao i sekundarne i tercijarne alkilamine. U pravilu, ekstrakcija otapalom je poželjnija od metoda ionskih izmjena za kisele filtrate koji sadrže više od 1 g / l urana. Međutim, ova metoda se ne primjenjuje na karbonatno ispiranje.

Zatim se uranij pročišćava otapanjem dušična kiselina s formiranjem uranil nitrata, ekstrahira, kristalizira i kalcinira s nastankom UO3 trioksida. Smanjeni UO2 dioksid reagira s fluorovodikom i tvori fluorid UF4, iz kojeg se metal uranija reducira magnezijem ili kalcijem na temperaturi od 1300 ° C.

Tetrafluorid može biti fluoriran na temperaturi od 350 ° C do stvaranja heksafluorida UF ₆ , koji se koristi za odvajanje obogaćenog urana-235 difuzijom plina, plinskim centrifugiranjem ili tekućom toplinskom difuzijom.