Kemijski element uran: lastnosti, značilnosti, formula. Pridobivanje in uporaba urana

Uran je kemijski element družine aktinidov z atomsko številko 92. Je najpomembnejše jedrsko gorivo. Njegova koncentracija v zemeljski skorji je približno 2 dela na milijon. Pomembni uranovi minerali so uranov oksid (U ₃ O ₈ ), uraninit (UO ₂ ), karnotit (uranil-kalijev vanadat), otenit (uranil-kalijev fosfat) in torbernite (vodni baker in uranil fosfat). Te in druge uranove rude so viri jedrskega goriva in vsebujejo veliko več energije kot vsa znana nahajališča fosilnih goriv. 1 kg urana ₉₂ U daje toliko energije kot 3 milijone kg premoga.

Zgodovina odkrivanja

Kemični element uran je gosta, trdna kovina srebrno bele barve. Je duktilen, mehak in polirljiv. V zraku se kovina oksidira in vžge v osnovnem stanju. Električno energijo razmeroma slabo. Elektronska formula urana je 7s2 6d1 5f3.

Čeprav je ta element leta 1789 odkril nemški kemik Martin Heinrich Klaproth, ki ga je poimenoval v čast nedavno odkritega planeta Urana, je kovino leta 1841 izoliral francoski kemik Eugene-Melchior Peligo, tako da je kalij zmanjšal iz uranovega tetraklorida (UCl ₄ ).

Radioaktivnost

Ustvarjanje periodičnega sistema, ki ga je leta 1869 ruski kemik Dmitrij Mendelejev osredotočil na uran kot najtežji od znanih elementov, da je ostal do odkritja neptunija leta 1940. Leta 1896 je francoski fizik Henri Becquerel odkril pojav radioaktivnosti v njem. Ta lastnost je bila kasneje najdena v mnogih drugih snoveh. Zdaj je znano, da radioaktivni uran v vseh svojih izotopih sestoji iz zmesi ²³⁸ U (99,27%, razpolovna doba - 4 510 000 000 let), ²³⁵ U (0,72%, razpolovna doba - 713 000 000 let) in ²³⁴ U. (0.006%, razpolovna doba - 247.000 let). To na primer omogoča določanje starosti kamnin in mineralov za preučevanje geoloških procesov in starosti zemlje. V ta namen merijo količino svinca, ki je končni produkt radioaktivnega razpada urana. V tem primeru je ²³⁸ U začetni element, ²³⁴ U pa je eden od izdelkov. ²³⁵ U ustvarja vrsto razpadanja aktinija.

Odpiranje verižne reakcije

Kemični element uran je postal predmet širokega zanimanja in intenzivne študije, potem ko so nemški kemiki Otto Hahn in Fritz Strassmann konec leta 1938, ko so bili bombardirani s počasnimi nevtroni, odkrili jedrsko fisijo v njem. V začetku leta 1939 je ameriški fizik italijanskega porekla, Enrico Fermi, predlagal, da bi med produkti cepljenja atoma lahko obstajali osnovni delci, ki bi lahko ustvarili verižno reakcijo. Leta 1939 so ameriški fiziki Leo Szillard in Herbert Anderson ter francoski kemik Frederic Joliot-Curie in njihovi sodelavci potrdili to napoved. Naknadne študije so pokazale, da se v povprečju pri cepitvi atoma sprosti 2,5 nevtrona. Ta odkritja so privedla do prve jedrne verižne reakcije (12/02/1942), prve atomske bombe (16.06.1945), njene prve uporabe med sovražnostmi (08/06/1945), prve atomske podmornice (1955) in prve jedrske elektrarne v polnem obsegu ( 1957).

Oksidacijska stanja

Kemični element uran, ki je močna elektropozitivna kovina, reagira z vodo. Raztopi se v kislinah, vendar ne v alkalijah. Pomembna oksidacijska stanja so +4 (kot v UO ₂ oksidu, tetrahalidi, kot so UCl ₄ in zeleni vodni ioni U ⁴⁺ ) in +6 (kot v UO ₃ oksidu, UF ₆ heksafluoridu in uranilnem ionu UO ₂ ²⁺ ). V vodni raztopini je uran najstabilnejši v sestavi uranilnega iona, ki ima linearno strukturo [O = U = O] ²⁺ . Element ima tudi stanja +3 in +5, vendar so nestabilna. Red U ³⁺ počasi oksidira v vodi, ki ne vsebuje kisika. Barva UO ₂ ⁺ iona je neznana, saj je podvržena nesorazmernosti (UO ₂ ⁺ istočasno zmanjšuje do U ⁴⁺ in se oksidira v UO ₂ ²⁺ ) tudi v zelo razredčenih raztopinah.

Jedrsko gorivo

Pri izpostavljenosti počasnim nevtronam se cepitev uranovega atoma pojavlja v relativno redkih izotopih ²³⁵ U. Je edini naravni fisijski material, ki ga je treba ločiti od izotopa ²³⁸ U, vendar se po absorpciji in negativnem beta razpadu uran-238 spremeni v sintetični plutonij, ki se deli pod delovanjem počasnih nevtronov. Zato se lahko naravni uran uporablja v konverterskih reaktorjih in rejcih, v katerih se delitev vzdržuje pri redkih ²³⁵ U, plutonij pa se proizvaja hkrati s pretvorbo ²³⁸ U. Iz izotopa torij-232, ki je široko porazdeljen v naravi, se lahko fisijski ²³³ U sintetizira za uporabo kot jedrsko gorivo. Uran je pomemben tudi kot primarni material, iz katerega se pridobivajo sintetični transuranski elementi.

Druge uporabe urana

Spojine kemičnega elementa so se prej uporabljale kot barvila za keramiko. Heksafluorid (UF ₆ ) je trdna snov z nenavadno visokim parnim tlakom (0,15 atm = 15 300 Pa) pri 25 ° C. UF _{6 je} kemijsko zelo reaktivna, vendar se UF ₆ kljub svoji jedki naravi v parnem stanju široko uporablja pri metodah za plinsko difuzijo in plinske centrifuge za proizvodnjo obogatenega urana.

Organometalne spojine so zanimiva in pomembna skupina spojin, v katerih kovinsko-ogljikove vezi združujejo kovino z organskimi skupinami. Uranocen je organsko-uranska spojina U (C8H8) ₂ , v kateri je uranov atom vstavljen med dve plasti organskih obročev, povezanih s cikloktatetrenom C8H8. Njegovo odkritje leta 1968 je odprlo novo področje organokovinske kemije.

Osiromašeni naravni uran se uporablja kot sredstvo za zaščito pred sevanjem, balast, v oklepnih lupinah in oklepih rezervoarjev.

Recikliranje

Kemični element, čeprav je zelo gost (19,1 g / cm ³ ), je razmeroma šibka, nevnetljiva snov. Dejansko se zdi, da se kovinske lastnosti urana umeščajo nekje med srebrom in drugimi pravimi kovinami in nekovinami, zato se ne uporablja kot konstrukcijski material. Glavna vrednost urana je v radioaktivnih lastnostih izotopov in njihovi sposobnosti delitve. V naravi je skoraj vsa (99,27%) kovina ²³⁸ U. Preostanek je ²³⁵ U (0,72%) in ²³⁴ U (0,006%). Od teh naravnih izotopov se le ²³⁵ U neposredno odcepi z nevtronskim obsevanjem. Vendar pa, ko se absorbira, ²³⁸ U tvori ²³⁹ U, ki se na koncu razgradi v ²³⁹ Pu - fisijski material, ki je zelo pomemben za jedrsko energijo in jedrsko orožje. Še en fisijski izotop, ²³³ U, lahko nastane z nevtronskim obsevanjem ²³² Th.

Kristalne oblike

Značilnosti urana določajo njegovo reakcijo s kisikom in dušikom tudi pri normalnih pogojih. Pri višjih temperaturah reagira s širokim razponom doping kovin in tvori intermetalne spojine. Nastajanje trdnih raztopin z drugimi kovinami je redko posledica posebnih kristalnih struktur, ki jih tvorijo atomi elementa. Med sobno temperaturo in tališčem 1132 ° C obstaja kovinski uran v 3 kristalni obliki, znani kot alfa (α), beta (β) in gama (γ). Transformacija iz α- v β-stanje se pojavi pri 668 ° C in od β do γ - pri 775 ° C. γ-uran ima telesno centrirano kubično kristalno strukturo in β-tetragonsko. Faza α je sestavljena iz atomskih plasti v visoko simetrični ortoromski strukturi. Ta anizotropno izkrivljena struktura preprečuje, da bi atomi kovin za doping zamenjali atome urana ali zasedli prostor med njimi. kristalne rešetke. Ugotovljeno je bilo, da trdne raztopine tvorijo le molibden in niobij.

Ore

Skorja vsebuje približno dva dela urana na milijon, kar kaže na njeno široko porazdelitev v naravi. Ocenjuje se, da oceani vsebujejo 4,5 × 10 ⁹ ton tega kemičnega elementa. Uran je pomemben sestavni del več kot 150 različnih mineralov in manjša komponenta drugih 50. Primarni minerali, ki jih najdemo v magmatskih hidrotermalnih žilah in pegmatitih, vključujejo uraninit in njegovo sorto nasturan. V teh rudah se element pojavlja v obliki dioksida, ki se lahko zaradi oksidacije spreminja od UO ₂ do UO _2,67 . Drugi gospodarsko pomembni proizvodi rudnikov urana so avtouniti (hidratirani uranil kalcijev fosfat), toberni (hidratiran uranil bakrov fosfat), kofiniti (črni hidratiran uranijev silikat) in carnotit (hidratiran uranil kalijev vanadat).

Ocenjuje se, da je več kot 90% znanih nizko cenovnih rezerv urana v Avstraliji, Kazahstanu, Kanadi, Rusiji, Južni Afriki, Nigru, Namibiji, Braziliji, LRK, Mongoliji in Uzbekistanu. Velike usedline se nahajajo v konglomeratnih kamninah jezera Elliot, ki se nahaja severno od jezera Huron v Ontariu v Kanadi in v južnoafriškem rudniku zlata Witwatersrande. Pesek na planoti Colorado in v bazenu Wyoming v zahodnih Združenih državah prav tako vsebuje pomembne rezerve urana.

Rudarstvo

Uranove rude najdemo v podzemnih in globokih (300–1200 m) sedimentih. Pod zemljo debelina rezervoarja doseže 30 m. Tako kot pri rudah drugih kovin se ekstrakcija urana na površini opravi z veliko zemeljsko zemeljsko opremo, razvoj globokih sedimentov pa poteka po tradicionalnih metodah vertikalnih in nagnjenih rudnikov. Svetovna proizvodnja koncentrata urana v letu 2013 je znašala 70 tisoč ton, najbolj produktivni rudniki urana pa so v Kazahstanu (32% celotne proizvodnje), Kanadi, Avstraliji, Nigru, Namibiji, Uzbekistanu in Rusiji.

Uranove rude običajno vsebujejo le majhno količino mineralov, ki vsebujejo uran, in niso primerni za taljenje z neposrednimi pirometalurškimi metodami. Namesto tega je treba uporabiti hidrometalurške postopke za ekstrakcijo in prečiščevanje urana. Povečanje koncentracije bistveno zmanjša obremenitev obdelovalnih krogov, vendar nobena od običajnih metod obogatitve, ki se običajno uporabljajo pri obdelavi mineralov, kot so gravitacija, flotacija, elektrostatična in celo ročna razvrščanje, ni uporabna. Z nekaj izjemami te metode vodijo do znatne izgube urana.

Streljanje

Pred hidrometalurško obdelavo uranovih rud se pogosto izvaja faza žganja z visoko temperaturo. Kalcinacija dehidrira glino, odstrani ogljikove materiale, oksidira žveplove spojine v neškodljive sulfate in oksidira druge reducente, ki lahko vplivajo na nadaljnjo obdelavo.

Izpiranje

Uran se pridobiva iz požganih rud tako kislih kot alkalnih vodnih raztopin. Da bi vsi sistemi izpiranja uspešno delovali, mora biti kemični element najprej prisoten v bolj stabilni 6-valentni obliki ali pa se med predelavo oksidira v to stanje.

Izpiranje kisline se običajno izvede z mešanjem mešanice rude in luženja 4-48 ur pri sobni temperaturi. Razen v posebnih okoliščinah žveplove kisline. Vroči se v količinah, ki zadoščajo za pridobitev končne tekočine pri pH 1,5. V shemah izpiranja žveplove kisline se običajno uporablja oksidacija tetravalentnega U ⁴⁺ do 6-valentnega uranila (UO ₂ ²⁺ ), bodisi manganovega dioksida ali klorata. Za oksidacijo U ⁴⁺ zadostuje praviloma približno 5 kg manganovega dioksida ali 1,5 kg natrijevega klorata na tono. V vsakem primeru oksidirani uran reagira z žveplovo kislino in tvori kompleksni anion uranil sulfata [UO ₂ (SO ₄ ) ₃ ] ^4- .

Ore, ki vsebujejo znatne količine osnovnih mineralov, kot so kalcit ali dolomit, izlužimo z 0,5-1 molarno raztopino. natrijev karbonat. Čeprav so bili preučeni in testirani različni reagenti, je kisik glavni oksidant urana. Značilno je, da se ruda izpira v zraku pri atmosferskem tlaku in pri temperaturi 75-80 ° C za čas, ki je odvisen od specifične kemijske sestave. Alkali reagirajo z uranom in tvorijo lahko topen kompleksni ion [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ^4- .

Pred nadaljnjo predelavo je treba pojasniti raztopine, ki nastanejo pri kislem ali karbonatnem izpiranju. Velika ločitev glin in drugih rudnih blato se izvaja z uporabo učinkovitih flokulacijskih sredstev, vključno s poliakrilamidi, guar gumi in živalskim lepilom.

Ekstrakcija

Kompleksni ioni [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ^4- in [UO ₂ (SO ₄ ) ₃ ] ⁴ se lahko sorbirajo iz svojih raztopin za izluževanje ionskih izmenjevalnih smol. Te posebne smole, za katere je značilna kinetika njihove sorpcije in eluiranja, velikost delcev, stabilnost in hidravlične lastnosti, se lahko uporabljajo v različnih tehnologijah obdelave, na primer v fiksni in gibljivi postelji, po metodi ionske izmenjevalne smole v pulpi košarice in kontinuiranega tipa. Raztopine natrijevega klorida in amoniaka ali nitratov se običajno uporabljajo za izločanje sorbiranega urana.

Uran lahko izoliramo iz kislinske rude z ekstrakcijo s topilom. Industrija uporablja alkilne fosforne kisline, kot tudi sekundarne in terciarne alkilamine. Praviloma je ekstrakcija s topilom prednost pred metodami ionske izmenjave za kisle filtrate, ki vsebujejo več kot 1 g / l urana. Vendar ta metoda ne velja za karbonatno izpiranje.

Nato se uran očisti z raztapljanjem v dušikove kisline s tvorbo uranil nitrata, ekstrahiramo, kristaliziramo in žarimo z tvorbo UO3 trioksida. Zmanjšani UO2 dioksid reagira s fluoridom vodika in tvori fluorid UF4, iz katerega se uranijeva kovina reducira z magnezijem ali kalcijem pri temperaturi 1300 ° C.

Tetrafluorid lahko fluoriramo pri temperaturi 350 ° C do nastanka heksafluorida UF ₆ , ki se uporablja za ločevanje obogatenega urana-235 s plinsko difuzijo, plinskim centrifugiranjem ali tekočinsko termično difuzijo.