Хемијски елемент уранијум: својства, карактеристике, формула. Вађење и примена уранијума

Уранијум је хемијски елемент породице актинида са атомским бројем 92. То је најважније нуклеарно гориво. Његова концентрација у земљиној кори је око 2 дела на милион. Важни минерали уранијума укључују уранијум оксид (У ₃ О ₈ ), уранинит (УО ₂ ), карнотит (уранил-калијум ванадат), отенит (уранил-калијум фосфат) и торберните (водени бакар и уранил фосфат). Ове и друге уранове руде су извори нуклеарног горива и садрже много пута више енергије од свих познатих лежишта фосилних горива. 1 кг уранијума ₉₂ У даје толико енергије као и 3 милиона килограма угља.

Историја открића

Хемијски елемент уранијум је густ, чврст метал сребрно-беле боје. Дуктилан је, савитљив и лак за полирање. У ваздуху се метал оксидира и запали у основном стању. Проводи електричну енергију релативно слабо. Електронска формула уранијума је 7с2 6д1 5ф3.

Иако је овај елемент открио 1789. године њемачки кемичар Мартин Хеинрицх Клапротх, који га је назвао у част недавно откривеној планети Уран, сам метал је 1841. године изолирао француски кемичар Еугене-Мелцхиор Пелиго редуцирајући калиј из ураниј тетраклорида (УЦл ₄ ).

Радиоактивност

Стварање периодичног система од стране руског хемичара Дмитрија Мендељева 1869. године фокусирало се на уранијум као најтежи од познатих елемената који је остао до открића нептунија 1940. године. Француски физичар Хенри Бецкуерел је 1896. године открио феномен радиоактивности у њему. Ово својство је касније пронађено у многим другим супстанцама. Сада је познато да се уранијум радиоактиван у свим својим изотопима састоји од мешавине од ²³⁸ У (99,27%, полуживот - 4 510 000 000 година), ²³⁵ У (0,72%, полуживот - 713 000 000 година) и ²³⁴ У. (0.006%, полуживот - 247.000 година). То, на примјер, омогућава одређивање старости стијена и минерала за проучавање геолошких процеса и старост земље. Да би се то урадило, мере се количина олова, који је крајњи производ радиоактивног распада уранијума. У овом случају, ²³⁸ У је почетни елемент, а ²³⁴ У је један од производа. ²³⁵ У генерише низ пропадања актинијума.

Ланчана реакција отварања

Хемијски елемент уранијум постао је предмет широког интересовања и интензивне студије након што су немачки хемичари Отто Хахн и Фритз Страссманн крајем 1938. године, када су бомбардовани спорим неутронима, открили нуклеарну фисију у њој. Почетком 1939. године, амерички физичар италијанског поријекла, Енрицо Ферми, сугерирао је да међу производима цијепања атома могу постојати елементарне честице које могу генерирати ланчану реакцију. Године 1939. амерички физичари Лео Сзиллард и Херберт Андерсон, као и француски хемичар Фредериц Јолиот-Цурие и њихове колеге потврдили су ово предвиђање. Накнадне студије су показале да се у просеку, када се атомски атом дели, ослобађају 2,5 неутрона. Ова открића су довела до прве самоодрживе нуклеарне ланчане реакције (12/02/1942), прве атомске бомбе (16.07.1945.), Њене прве употребе током непријатељстава (08/06/1945), прве атомске подморнице (1955) и прве нуклеарне електране у пуној величини ( 1957).

Оксидациона стања

Хемијски елемент уранијум, који је јак електропозитивни метал, реагује са водом. Отапа се у киселинама, али не у алкалијама. Важна оксидациона стања су +4 (као у УО ₂ оксиду, тетрахалиди, као што су УЦл ₄ и зелени водени јони У ⁴⁺ ) и +6 (као у УО ₃ оксиду, УФ ₆ хексафлуориду и уранил јону УО ₂ ²⁺ ). У воденом раствору, уранијум је најстабилнији у саставу уранилног јона, који има линеарну структуру [О = У = О] ²⁺ . Елемент такође има стања +3 и +5, али су нестабилна. Црвена У ^{3+ се} полако оксидира у води која не садржи кисеоник. Боја јона УО ₂ ⁺ је непозната, јер је подвргнута диспропорцијацији (УО ₂ ⁺ истовремено смањује до У ⁴⁺ и оксидира се до УО ₂ ²⁺ ) чак иу врло разријеђеним отопинама.

Нуклеарно гориво

При излагању спорим неутронима, фисија урановог атома јавља се у релативно ретком изотопу ²³⁵ У. То је једини природни фисибилни материјал, који се мора одвојити од ²³⁸ У изотопа, али се након апсорпције и негативног бета распада уранијум-238 претвара у синтетички плутонијум, који се раздваја под дејством спорих неутрона. Због тога се природни уран може користити у конверторским реакторима и оплемењивачима у којима се подела одржава на ретким ²³⁵ У, а плутонијум се производи истовремено са трансмутацијом од ²³⁸ У. Из изотопа торијума 232 који је широко распрострањен у природи, фисија ²³³ У се може синтетисати за употребу као нуклеарно гориво. Уран је такође важан као примарни материјал из кога се добијају синтетички трансурански елементи.

Друге употребе уранијума

Једињења хемијског елемента су претходно коришћена као боје за керамику. Хексафлуорид (УФ ₆ ) је чврста супстанца са необично високим притиском паре (0.15 атм = 15 300 Па) на 25 ° Ц. УФ _{6 је} хемијски веома реактиван, али, упркос својој корозивној природи у парном стању, УФ _{6 се} широко користи у методама гасне дифузије и гасне центрифуге за производњу обогаћеног уранијума.

Органометална једињења су интересантна и важна група једињења у којима метално-угљеничне везе комбинују метал са органским групама. Ураноцен је органо-уранско једињење У (Ц8Х8) ₂ , у којем је атом уранијана у сендвичу између два слоја органских прстенова повезаних са циклооктетреном Ц8Х8. Његово откриће 1968. године отворило је ново поље органометалне хемије.

Осиромашени природни уран се користи као средство за заштиту од зрачења, баласт, у оклопима и оклопу тенкова.

Рециклирање

Хемијски елемент, иако веома густ (19,1 г / цм3), је релативно слаба, незапаљива супстанца. Заиста, металне особине уранијума се појављују негде између сребра и других правих метала и неметала, па се не користе као конструкциони материјал. Главна вредност уранијума лежи у радиоактивним својствима његових изотопа и њиховој способности да се деле. У природи, скоро све (99,27%) метала чине ²³⁸ У. Остатак је ²³⁵ У (0,72%) и ²³⁴ У (0,006%). Од ових природних изотопа, само ²³⁵ У се директно одваја неутронским зрачењем. Међутим, када се апсорбује, ²³⁸ У формира ²³⁹ У, што се у коначници распада на материјал који се пушта, што је од великог значаја за нуклеарну енергију и нуклеарно оружје. Други фисијски изотоп, ²³³ У, може се произвести неутронским зрачењем од ²³² Тх.

Цристал формс

Карактеристике уранијума одређују његову реакцију са кисеоником и азотом чак и под нормалним условима. На вишим температурама, он реагује са широким спектром допинг метала у облику интерметалних једињења. Формирање чврстих раствора са другим металима се ретко дешава због посебних кристалних структура које формирају атоми елемента. Између собне температуре и тачке топљења од 1132 ° Ц, метални уранијум постоји у 3 кристалне форме, познате као алфа (α), бета (β) и гама (γ). Трансформација из α- у β-стање јавља се на 668 ° Ц и од β до γ - на 775 ° Ц. γ-уранијум има телесно центрирану кубичну кристалну структуру, и β-тетрагонални. Α фаза се састоји од атомских слојева у високо-симетричној орторомбичкој структури. Ова анизотропна изобличена структура спречава допинг атоме метала из замене атома уранијума или заузима простор између њих у цристал латтице. Утврђено је да чврсте отопине ​​формирају само молибден и ниобијум.

Оре

Кора садржи око 2 дела урана на милион, што указује на његову широку дистрибуцију у природи. Процењује се да океани садрже 4,5 × 10 ⁹ тона овог хемијског елемента. Уран је важна компонента више од 150 различитих минерала и мања компонента других 50. Примарни минерали пронађени у магматским хидротермалним венама и пегматитима укључују уранинит и његову разноликост настуран. У овим рудама, елемент се јавља у облику диоксида, који због оксидације може варирати од УО ₂ до УО _2.67 . Остали економски значајни производи уранових рудника су аутуните (хидратисани уранил калцијум фосфат), тоберните (хидратирани уранил бакар фосфат), кофинит (црни хидрат уранијум силикат) и карнотит (хидратирани уранил калијум ванадат).

Процењује се да је више од 90% познатих резерви јефтиног урана у Аустралији, Казахстану, Канади, Русији, Јужној Африци, Нигеру, Намибији, Бразилу, НР Кини, Монголији и Узбекистану. Велике наслаге налазе се у конгломератним стијенама језера Еллиот, које се налазе сјеверно од језера Хурон у Онтарију, у Канади, те у јужноафричком руднику злата Витватерсранде. Пешчане формације на висоравни Колорадо иу базену Вајоминга у западним Сједињеним Државама такође садрже значајне резерве урана.

Рударство

Уранове руде налазе се у подземним и дубоким (300–1200 м) седиментима. Под земљом дебљина резервоара достиже 30 м. Као иу случају руда других метала, вађење уранијума на површини врши се масовном земљаном опремом, а развој дубоких седимената врши се традиционалним методама вертикалних и косих мина. Глобална производња урановог концентрата у 2013. години износила је 70 хиљада тона, а најпродуктивнији рудници уранијума налазе се у Казахстану (32% укупне производње), Канади, Аустралији, Нигеру, Намибији, Узбекистану и Русији.

Уранове руде обично укључују само малу количину минерала који садрже уранијум и нису подложни топљењу директним пирометалуршким методама. Уместо тога, хидрометалуршке процедуре треба да се користе за екстракцију и пречишћавање уранијума. Повећање концентрације значајно смањује оптерећење процесних кругова, али ниједна од уобичајених метода обогаћивања које се обично користе за обраду минерала, као што су гравитација, флотација, електростатичко и чак ручно сортирање, није примјењива. Уз неколико изузетака, ове методе доводе до значајног губитка уранијума.

Паљење

Хидрометалуршкој преради уранових руда често претходи фаза калцинације високе температуре. Калцинација дехидрира глину, уклања угљеничне материјале, оксидира сумпорна једињења до безопасних сулфата и оксидира све друге редукционе агенсе који могу ометати накнадну обраду.

Леацхинг

Уран се издваја из спаљених руда и киселим и алкалним воденим растворима. Да би сви системи лужења функционисали успешно, хемијски елемент мора или бити иницијално присутан у стабилнијем 6-валентном облику, или бити оксидисан до тог стања током обраде.

Киселинско лужење се обично изводи мешањем мешавине руде и лужења током 4-48 сати на собној температури. Осим у посебним околностима сумпорна киселина. Сервира се у количинама довољним да се добије коначна течност при пХ 1,5. Шеме лужине сумпорне киселине типично користе или манган-диоксид или хлорат за оксидацију тетравалентног У ⁴⁺ до 6-валентног уранила (УО ₂ ²⁺ ). По правилу, око 5 кг манган-диоксида или 1,5 кг натријум-хлората по тони је довољно за оксидацију У ⁴⁺ . У сваком случају, оксидовани уран реагује са сумпорном киселином да би формирао уранил сулфатни комплексни анион [УО ₂ (СО ₄ ) ₃ ] ^4- .

Руда која садржи значајну количину основних минерала, као што је калцит или доломит, се излужује са 0,5-1 моларним раствором натријум карбонат. Иако су проучавани и тестирани различити реагенси, кисеоник је главни оксидант уранијума. Обично се руда испира у ваздуху при атмосферском притиску и на температури од 75-80 ° Ц у временском периоду који зависи од специфичног хемијског састава. Алкали реагују са уранијумом да би формирали лако растворни комплексни јон [УО ₂ (ЦО ₃ ) ₃ ] ^4- .

Пре даљње прераде треба разјаснити растворе настале киселим или карбонатним испирањем. Велика сепарација глине и других муљева из руде врши се употребом ефективних флокулирајућих средстава, укључујући полиакриламиде, гуар гуму и животињско љепило.

Екстракција

Комплексни јони [УО ₂ (ЦО ₃ ) ₃ ] ^4- и [УО ₂ (СО ₄ ) ₃ ] ^4- могу бити сорбовани из њихових одговарајућих раствора за лужење смоле за јоноизмењивање. Ове специјалне смоле, карактерисане кинетиком њихове сорпције и елуације, величине честица, стабилности и хидрауличких својстава, могу се користити у различитим технологијама обраде, на пример у фиксном и покретном слоју, методом јоноизмењивачке смоле у ​​пулпи корпе и континуираног типа. Обично се раствори натријум хлорида и амонијака или нитрата користе за елуирање сорбираног уранијума.

Уранијум се може изоловати из киселинске рудне течности екстракцијом растварачем. Индустрија користи алкилне фосфорне киселине, као и секундарне и терцијарне алкиламине. По правилу, екстракција растварача је пожељнија од метода јонске измене за киселе филтрате који садрже више од 1 г / л уранијума. Међутим, овај метод се не примењује на карбонатно испирање.

Затим се уранијум пречисти растварањем нитратна киселина са формирањем уранил нитрата, екстрахован, кристализован и калцинисан са формирањем УО3 триоксида. Редуковани УО2 диоксид реагује са флуоридом водоника да би се формирао тефтфлуор УФ4, из кога се метал уранијума редукује магнезијумом или калцијем на температури од 1300 ° Ц.

Тетрафлуорид може бити флуорисан на температури од 350 ° Ц до формирања хексафлуорида УФ ₆ , који се користи за одвајање обогаћеног уранијума-235 дифузијом гаса, гасним центрифугирањем или термичком дифузијом течности.