В статье рассказывается о том, когда был открыт такой химический элемент, как уран, и в каких отраслях производства в наше время применяется это вещество.
Уран - химический элемент энергетической и военной промышленности
Во все времена люди пытались найти высокоэффективные источники энергии, а в идеале - создать так называемый К сожалению, невозможность его существования теоретически доказали и обосновали еще в XIX веке, но ученые все равно никогда не теряли надежды воплотить в жизнь мечту о некоего рода устройстве, которое было бы способно выдавать большое количество «чистой» энергии на протяжении очень долгого времени.
Частично это удалось воплотить в жизнь с открытием такого вещества, как уран. Химический элемент с данным названием лег в основу разработки атомных реакторов, которые в наше время обеспечивают энергией целые города, подводные лодки, полярные суда и прочее. Правда, «чистой» их энергию назвать нельзя, но в последние годы множество фирм разрабатывают для широкой продажи компактные «атомные батарейки» на основе трития - в них нет подвижных частей и они безопасны для здоровья.
Однако в этой статье мы подробно разберем историю открытия химического элемента под названием уран и реакцию деления его ядер.
Определение
Уран - химический элемент, который имеет атомный номер 92 в периодической таблице Менделеева. Атомная же масса его составляет 238,029. Обозначается он символом U. В нормальных условиях является плотным, тяжелым металлом серебристого цвета. Если говорить о его радиоактивности, то сам по себе уран - элемент, обладающий слабой радиоактивностью. Также он не имеет в своем составе полностью стабильных изотопов. А самым стабильным из существующих изотопов считается уран-338.
С тем, что собой представляет данный элемент, мы разобрались, а теперь рассмотрим историю его открытия.
История
Такое вещество, как природная окись урана, известно людям с глубокой древности, а использовали ее древние мастера для изготовления глазури, которой покрывали различную керамику для водонепроницаемости сосудов и других изделий, а также их украшения.
Важной датой в истории открытия этого химического элемента стал 1789 год. Именно тогда химик и немец по происхождению Мартин Клапрот смог получить первый металлообразный уран. А свое название новый элемент получил в честь открытой восемью годами ранее планеты.
Почти 50 лет полученный тогда уран считали чистым металлом, однако, в 1840 году химик из Франции Эжен-Мелькьор Пелиго смог доказать, что материал, полученный Клапротом, несмотря на подходящие внешние признаки, вовсе не металл, а оксид урана. Чуть позже все тот же Пелиго получил настоящий уран - очень тяжелый металл серого цвета. Именно тогда впервые и был определен атомный вес такого вещества, как уран. Химический элемент в 1874 году был помещён Дмитрием Менделеевым в его знаменитую периодическую систему элементов, причём Менделеев удвоил атомный вес вещества в два раза. И лишь спустя 12 лет опытным путем было доказано, что не ошибался в своих расчетах.
Радиоактивность
Но по-настоящему широкая заинтересованность этим элементом в научных кругах началась в 1896 году, когда Беккерель открыл тот факт, что уран испускает лучи, которые были названы в честь исследователя - лучи Беккереля. Позже одна из знаменитейших учёных в этой области - Мария Кюри, назвала это явление радиоактивностью.
Следующей важной датой в изучении урана принято считать 1899 год: именно тогда Резерфорд обнаружил, что излучение урана является неоднородным и делится на два типа - альфа- и бета-лучи. А год спустя Поль Виллар (Вийяр) открыл и третий, последний известный нам на сегодняшний день тип радиоактивного излучения - так называемые гамма-лучи.
Спустя семь лет, в 1906 году, Резерфорд на основе своей теории радиоактивности провел первые опыты, цель которых заключалась в том, чтобы определить возраст различных минералов. Эти исследования положили начало в том числе формированию теории и практики
Деление ядер урана
Но, наверное, наиважнейшее открытие, благодаря которому началась широкая добыча и обогащение урана как в мирных, так и военных целях, - это процесс деления ядер урана. Произошло это в 1938 году, открытие было осуществлено силами немецких физиков Отто Гана и Фрица Штрассмана. Позже эта теория получила научные подтверждения в работах еще нескольких немецких физиков.
Суть открытого ими механизма состояла в следующем: если облучать ядро изотопа урана-235 нейтроном, то, захватывая свободный нейтрон, оно начинает делиться. И, как мы все теперь знаем, процесс этот сопровождается выделением колоссального количества энергии. Происходит это в основном благодаря кинетической энергии самого излучения и осколков ядра. Так что теперь мы знаем, как происходит деление ядер урана.
Открытие этого механизма и его результатов и является отправной точкой для использования урана как в мирных, так и военных целях.
Если говорить о его применении в военных целях, то впервые теорию о том, что можно создать условия для такого процесса, как непрерывная реакция деления ядра урана (поскольку для подрыва ядерной бомбы необходима огромная энергия), доказали советские физики Зельдович и Харитон. Но чтобы создать такую реакцию, уран должен быть обогащен, поскольку в обычном своем состоянии нужными свойствами он не обладает.
С историей этого элемента мы ознакомились, теперь разберемся, где же он применяется.
Применение и виды изотопов урана
После открытия такого процесса, как реакция цепного деления урана, перед физиками стал вопрос, где можно его использовать?
В настоящее время существует два основных направления, где используют изотопы урана. Это мирная (или энергетическая) промышленность и военная. И первая, и вторая использует реакцию изотопа урана-235, отличается лишь выходная мощность. Проще говоря, в атомном реакторе нет необходимости создавать и поддерживать этот процесс с той же мощностью, какая необходима для осуществления взрыва ядерной бомбы.
Итак, были перечислены основные отрасли, в которых используется реакция деления урана.
Но получение изотопа урана-235 - это необычайно сложная и затратная технологическая задача, и не каждое государство может позволить себе построить обогатительные фабрики. К примеру, для получения двадцати тонн уранового топлива, в котором содержание изотопа урана 235 будет составлять от 3-5%, потребуется обогатить более 153 тонн природного, «сырого» урана.
Изотоп урана-238 в основном применяют в конструктивной схеме ядерного оружия для увеличения его мощности. Также при захвате им нейтрона с последующим процессом бета-распада этот изотоп может со временем превращаться в плутоний-239 - распространенное топливо для большинства современных атомных реакторов.
Несмотря на все недостатки таких реакторов (большая стоимость, сложность обслуживания, опасность аварии), их эксплуатация окупается очень быстро, и энергии они производят несравнимо больше, чем классические тепловые или гидроэлектростанции.
Также реакция позволила создать ядерное оружие массового поражения. Оно отличается огромной силой, относительной компактностью и тем, что способно делать непригодным для проживания людей большие площади земли. Правда, в современном атомном оружии применяется плутоний, а не уран.
Обедненный уран
Существует и такая разновидность урана, как обедненный. Он отличается очень низким уровнем радиоактивности, а значит, не опасен для людей. Применяется он опять-таки в военной сфере, к примеру, его добавляют в броню американского танка «Абрамс» для придания ей дополнительной крепости. Помимо этого, практически во всех высокотехнологичных армиях можно встретить различные Помимо высокой массы, обладают они еще одним очень интересным свойством - после разрушения снаряда его осколки и металлическая пыль самовоспламеняются. И кстати, впервые такой снаряд применили во время Второй мировой войны. Как мы видим, уран - элемент, которому нашли применение в самых разных областях человеческой деятельности.
Заключение
По прогнозам ученых, примерно в 2030 году полностью истощатся все крупные месторождения урана, после чего начнется разработка труднодоступных его слоев и будет расти цена. Кстати, сама абсолютно безвредна для людей - некоторые шахтеры работают на его добыче целыми поколениями. Теперь мы разобрались в истории открытия этого химического элемента и в том, как применяют реакцию деления его ядер.
Кстати, известен интересный факт - соединения урана долгое время применялись в качестве красок для фарфора и стекла (так называемое вплоть до 1950-х годов.
Уран- 92 -ой элемент Периодической системы Менделеева, последний и самый тяжелый из существующих в природе элементов. Этот элемент занимает в современной жизни особое место. Он сыграл, по словам Д.И. Менделеева выдающуюся роль в утверждении периодического закона.
В дальнейшем с ураном оказались связанными два важнейших открытия науки ХХ века, давшие толчок многочисленным исследованиям: радиоактивность и деление ядер .
Уран, главный элемент ядерной энергетики и сырье для получения другого главного энергетического элемента- плутония, причастен ко многим открытиям ХХ века. Уран помог раскрыть тайны атома, стал источником невиданной мощи. Он основа современной «алхимии», превращения элементов и получения новых. В нейтронных потоках урановых реакторов в наши дни тоннами накапливаются элементы, в десятки раз более ценные, чем золото.
Открыл уран немецкий химик Клапрот в 1789 г., выделив из саксонской смоляной руды черное металлоподобное веществ, и назвал его ураном. Более пятидесяти лет это вещество считалось металлом и только в 1841 г. францезский химик Пелиго доказал, что это окисел урана UO 2 . Прошло еще 55 лет и, в 1896 г. А. Беккерель обнаружил, благодаря урану, явление радиоактивности.
Природный уран состоит из трех изотопов: 238 U - 99,2739%, продукт его распада 234 U- 0,0057% и 235 U - 0,7204%. Первый и последний являются родоначальниками семейств естественных радиоактивных элементов урана (тип ядра по массе 4n+2) и 235 U (актиноурана) (4n+3). Их периоды полураспада равны соответственно 4,51.10 9 и 7,13.10 8 лет. С помощью циклотрона и ядерного реактора в настоящее время получено 11 искусственных радиоактивных изотопов и 1 изомер урана. Наиболее важный из них - 233 U (T 1/2 = 1.62·10 5 лет), как и 235 U способен к цепной реакции деления, поэтому является ядерным горючим.
Уран довольно широко распространен в природе. По распространенности он занимает 38-е место.
Уран, наряду с первичными рудами магматического происхождения, образует вторичные осадочные рудные месторождения. Он содержится более чем в 100 различных минералах. Главные из них - окислы урана и смешанные соли ванадиевой, фосфорной, кремневой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важными первичными минералами промышленных месторождений являются уранинит и урановая смолка, а вторичным минералом - карнотит.
Рис.
Уран - блестящий металл, напоминающий по внешнему виду сталь. Он обладает полиморфизмом. Он обладает относительно высокой температурой плавления 1132 0 С и кипения 4690 0 С. Электропроводность урана близка к электропроводности железа. Ниже 1 К уран становится сверхпроводником.
Химические свойства урана изучены методами классической химии. Электронная конфигурация атом урана 5f 3 6d 1 7s 2 .
Химические свойства урана довольно сложные. Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150--175 °C, образуя U 3 O 8 . При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана.
Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, но не взаимодействует со щелочами.
Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото.
Степени окисления урана +3, +4, +5, +6 . Ионы урана гидратированы и гидролизованы. Степень гидролиза и комплексообразования растет в ряду:
U 5+ U 3+ U 4+ U 6+
Наиболее устойчивое валентное состояние в водных растворах U 6+ . Однако в нейтральной и кислой средах как настоящий амфотерный элемент уран образует двухзарядные катионы уранила UO; в щелочной-- анионы диураната UO. Образующиеся при этом соли полиуранаты малорастворимы. Так, прибавление едкого натра к раствору какой-либо соли уранила вызывает выпадение желто-бурого аморфного осадка диураната:
2UO 2 SO 4 + 6NaOH Na 2 U 2 O 7 + 2Na 2 SO 4 + 3H 2 O
Образование нерастворимых диуранатов из солей уранила-- очень важная реакции, которой пользуются для перевода шестивалентного урана в осадок. Полиуранаты являются типичным примером образования неорганических полимеров. Характерной особенностью почти всех солей шестивалентного урана является способность давать растворимые комплексы (даже в щелочной среде) в присутствии избытка карбонатов, оксалатов, сульфатов щелочных металлов или аммония вследствие образования комплексных ионов.
Рис. Урановое (U 6+) стекло
Тетрахлорид урана UCl 4 и диоксид урана UO 2 -- примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и при длительном пребывании на воздухе обращаются в шестивалентные.
Все соли U +4 ярко-зеленого цвета. Четырехвалентный уран в кислотах более склонен к комплексообразованию, чем U 6+ .
Выделение урана из природных объектов производится путем кислотного или карбонатного выщелачивания его после предварительного обогащения руды. Первое - дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырехвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. И либо нужно прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.
Окончательное извлечение урана осуществляется методами экстракции, ионного обмена и др. Методы ионного обмена и экстракции хороши тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов, в литре которых лишь десятые доли грамма элемента №92. После этих операций уран переводят в твердое состояние - в один из окислов или в тетрафторид UF 4 .
Металлический уран в небольших количествах получается восстановлением U 3 O 8 магнием или натрием в атмосфере СО 2 . Промышленный способ получения металлического урана заключается в восстановлении UF 4 кальцием или магнием.
UF 4 + 2 CaU +2 CaF 2
Из всех известных изотопов урана наибольшее применение имеет изотоп урана 235 U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (критическая масса около 50 кг). Возможные схемы вынужденного деления были рассмотрены более подробно в главе 6 (раздел 6.6.2).
Изотоп U 238 способен делиться только под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией). Изотоп U захватывает (радиационный захват) медленные нейтроны с образованием составного ядра U, которое распадается до основного состояния с испусканием одного или нескольких гамма- квантов, бета- частицы, протона или альфа- частицы:
U(n, г) U Np Pu U
Таким образом, U с одной стороны является ядом для цепной реакции. С другой стороны в результате радиационного захвата возможно воспроизводство ядерного горючего с образованием делящегося Pu. Pu используется, в основном, для производства ядерного оружия.
Если ядерный реактор работает на смеси природного Th с U при радиационном захвате нейтрона торием возможно получение 233 92 U:
Th (n, г) Th Pa U
Уран-233 является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг). Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.
В ядерных реакторах в качестве тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) могут использоваться чистый уран или его сплавы с алюминием, цирконием, хромом, цинком.. В большинстве энергетических реакторов обычно применяют керамические сердечники из двуокиси урана (UO 2), которые не деформируются в течение рабочего цикла выгорания топлива. Другое важное свойство этого соединения -- отсутствие реакции с водой, которая может привести в случае разгерметизации оболочки ТВЭЛа к попаданию радиоактивных элементов в теплоноситель. Также, к достоинствам диоксида урана можно отнести то, что его плотность близка плотности самого урана, что обеспечивает нужный поток нейтронов в активной зоне.
Рис.
Четверть века назад ядерные реакторы обычно называли атомными котлами, подчеркивая тем самым суть происходящих в них процессов: главное - это выделение энергии. Но если в обычных топках горючее полностью (или почти полностью) сгорает, то в ядерном реакторе все обстоит иначе. В рабочем цикле выгорает лишь незначительная доля урана: «протопить» реактор до полного выгорания ядерного горючего технически невозможно. Уран в реакторе постепенно «зашлаковывается» продуктами деления и в нем меньше становится урана-235. Цепная реакция неизбежно начинает глохнуть, и поддержать ее можно, только сменив твэлы . Поэтому старые твэлы снимают и отправляют на переработку: их растворяют в кислотах и извлекают уран из раствора методом экстракции. Уран легко образует экстрагируемые комплексы и переходит в органическую фазу, а осколки деления, от которых нужно избавиться, остаются в водном растворе.
Уран и его соединения токсичны . Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м?, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м?. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы. В микроколичествах (10 ?5 --10 ?8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких -- 50 %. Основные депо в организме: селезёнка, почки, скелет, печень, лёгкие и бронхо-лёгочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10 ?7 г.
Среди руд и минералов горняки Богемии (Чехословакия) часто обнаруживали черный тяжелый минерал, так называемую смоляную обманку (Pechblende). Первым исследованием смоляной обманки занялся в 1789 г. немецкий химик-аналитик Мартин Клапрот, которому удалось получить вещество черного цвета с металлическим блеском. Считая его новым элементом Клапрот назвал его ураном (Uranium) в ознаменование того, что исследование этого металла почти совпало по времени с открытием планеты Уран (1781). В 1841 году французский химик Эжен Пелиго (1811-1890) доказал, что уран Клапрота не элемент, а оксид UO 2 , впервые получил металлический уран, но ошибся в определении его атомного веса. Наконец, в 1869 г. Д.И. Менделеев установил, что атомная масса урана должна быть в два раза больше, 240, что оказалось близко к ее современному значению. А в 1896 году, исследуя уран, французский учёный Антуан Анри Беккерель, открыл явление радиоактивности, что послужило началом использования ядерных реакций и внутриатомной энергии.
Нахождение в природе, получение:
Уран широко распространён в природе. Кларк урана составляет 1·10 -3 % (вес.). Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1,3·10 14 т.
Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Важнейшими урановыми рудами являются урановая смолка (уранинит) и карнотит.
Получение урана проводят, выщелачивая его соединения (серной кислотой или щелочью) из рудного концентрата, с последующей их очисткой методами экстракции и ионного обмена. Очищенные продукты переводят в тетрафторид UF 4 , который восстанавливают до металла кальцием или магнием.
Физические свойства:
Уран - очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7°C), бетта (четырёхугольная, стабильна от 667,7 °C до 774,8°C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8°C до точки плавления). Температура плавления 1132°C, кипения - 3745°C. Плотность: 19,05 г/см 3 .
Уран - слаборадиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов. Самыми распространёнными изотопами природного урана являются уран-238 (99,3 %) и уран-235(0,7%). Известно также более 20 исскуственных изотопов.
Химические свойства:
Уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида:
U + O 2 = UO 2
Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150-175°C, образуя U 3 O 8 .
При 1000°C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана.
U + N 2 = UN 2
Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами.
U + 4HCl = UCl 4 + 2H 2
Уран взаимодействует с растворами солей таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото:
U + 2CuCl 2 = 2Cu + UCl 4
При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.
Важнейшие соединения:
Уран имеет четыре степени окисления - от III до VI.
Оксиды урана
имеют основной характер, представляют собой твердые вещества.
Соединения урана(III)
образуют неустойчивые растворы красного цвета и являются сильными восстановителями:
4UCl 3 + 2H 2 O = 3UСl 4 + UO 2 + H 2
Соединения урана(IV)
являются наиболее устойчивыми и образуют водные растворы зелёного цвета. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, тем не менее нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе.
Соединения урана(V)
неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:
2UO 2 Cl = UO 2 Cl 2 + UO 2
Соединения урана(VI)
включают в себя триоксид урана (окись уранила) UO 3 и уранилхлорид UO 2 Cl 2 (черный порошок). Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются в присутствии яркого света или органики.
Применение:
Уран используется как ядерное топливо. Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу. Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления). Уранат натрия Na 2 U 2 O 7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.
В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
Кюкало Кристина
ХФ ТюмГУ, 561 группа.
Уран - химический элемент семейства актиноидов с атомным номером 92. Является важнейшим ядерным топливом. Его концентрация в земной коре составляет около 2 частей на миллион. К важным урановым минералам относятся окись урана (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (уранил-ванадат калия), отенит (уранил-фосфат калия) и торбернит (водный фосфат меди и уранила). Эти и другие урановые руды являются источниками ядерного топлива и содержат во много раз больше энергии, чем все известные извлекаемые месторождения ископаемого топлива. 1 кг урана 92 U дает столько же энергии, сколько 3 млн кг угля.
История открытия
Химический элемент уран - плотный, твердый металл серебристо-белого цвета. Он пластичный, ковкий и поддается полировке. В воздухе метал окисляется и в измельченном состоянии загорается. Относительно плохо проводит электричество. Электронная формула урана - 7s2 6d1 5f3.
Хотя элемент был обнаружен в 1789 г. немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который назвал его в честь недавно открытой планеты Уран, сам металл был изолирован в 1841 г. французским химиком Эженом-Мельхиором Пелиго путем восстановления из тетрахлорида урана (UCl 4) калием.
Радиоактивность
Создание периодической системы российским химиком Дмитрием Менделеевым в 1869 году сосредоточило внимание на уране как на самом тяжелом из известных элементов, которым он оставался до открытия нептуния в 1940 г. В 1896-м французский физик Анри Беккерель обнаружил в нем явление радиоактивности. Это свойство позже было найдено во многих других веществах. Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238 U (99,27 %, период полураспада - 4 510 000 000 лет), 235 U (0,72 %, период полураспада - 713 000 000 лет) и 234 U (0,006 %, период полураспада - 247 000 лет). Это позволяет, например, определять возраст горных пород и минералов для изучения геологических процессов и возраста Земли. Для этого в них измеряется количество свинца, который является конечным продуктом радиоактивного распада урана. При этом 238 U является исходным элементом, а 234 U - один из продуктов. 235 U порождает ряд распада актиния.
Открытие цепной реакции
Химический элемент уран стал предметом широкого интереса и интенсивного изучения после того, как немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман в конце 1938 г. при его бомбардировке медленными нейтронами обнаружили в нем ядерное деление. В начале 1939 г. американский физик итальянского происхождения Энрико Ферми предположил, что среди продуктов расщепления атома могут быть элементарные частицы, способные породить цепную реакцию. В 1939 г. американские физики Лео Сциллард и Герберт Андерсон, а также французский химик Фредерик Жолио-Кюри и их коллеги подтвердили это предсказание. Последующие исследования показали, что в среднем при делении атома высвобождается 2,5 нейтрона. Эти открытия привели к первой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (02.12.1942), первой атомной бомбе (16.07.1945), первому ее использованию в ходе военных действий (06.08.1945), первой атомной подводной лодке (1955) и первой полномасштабной атомной электростанции (1957).
Состояния окисления
Химический элемент уран, являясь сильным электроположительным металлом, реагирует с водой. Он растворяется в кислотах, но не в щелочах. Важными состояниями окисления являются +4 (как в оксиде UO 2 , тетрагалогенидах, таких как UCl 4 , и зеленом водном ионе U 4+) и +6 (как в оксиде UO 3 , гексафториде UF 6 и ионе уранила UO 2 2+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой [О = U = О] 2+ . Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U 3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO 2 + неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO 2 + одновременно сводится к U 4+ и окисляется до UO 2 2+) даже в очень разбавленных растворах.
Ядерное топливо
При воздействии медленных нейтронов деление атома урана происходит в относительно редком изотопе 235 U. Это единственный природный расщепляющийся материал, и он должен быть отделен от изотопа 238 U. Вместе с тем после поглощения и отрицательного бета-распада уран-238 превращается в синтетический элемент плутоний, который расщепляется под действием медленных нейтронов. Поэтому природный уран можно использовать в реакторах-преобразователях и размножителях, в которых деление поддерживается редким 235 U и одновременно с трансмутацией 238 U производится плутоний. Из широко распространенного в природе изотопа тория-232 может быть синтезирован делящийся 233 U для использования в качестве ядерного топлива. Уран также важен как первичный материал, из которого получают синтетические трансурановые элементы.
Другие применения урана
Соединения химического элемента ранее использовались в качестве красителей для керамики. Гексафторид (UF 6) представляет собой твердое вещество с необычно высоким давлением паров (0,15 атм = 15 300 Па) при 25 °C. UF 6 химически очень реактивный, но, несмотря на его коррозионную природу в парообразном состоянии, UF 6 широко используется в газодиффузионных и газоцентрифужных методах получения обогащенного урана.
Металлоорганические соединения представляют собой интересную и важную группу соединений, в которых связи металл-углерод соединяют металл с органическими группами. Ураноцен является органоураническим соединением U(С 8 Н 8) 2 , в котором атом урана зажат между двумя слоями органических колец, связанными с циклооктатетраеном C 8 H 8 . Его открытие в 1968 г. открыло новую область металлоорганической химии.
Обедненный природный уран применяется в качестве средства радиационной защиты, балласта, в бронебойных снарядах и танковой броне.
Переработка
Химический элемент, хотя и очень плотный (19,1 г/см 3), является относительно слабым, невоспламеняющимся веществом. Действительно, металлические свойства урана, по-видимому, позиционируют его где-то между серебром и другими истинными металлами и неметаллами, поэтому его не используют в качестве конструкционного материала. Основная ценность урана заключается в радиоактивных свойствах его изотопов и их способности делиться. В природе почти весь (99,27 %) металл состоит из 238 U. Остальную часть составляют 235 U (0,72 %) и 234 U (0,006 %). Из этих естественных изотопов только 235 U непосредственно расщепляется нейтронным облучением. Однако при его поглощении 238 U образует 239 U, который в конечном итоге распадается на 239 Pu - делящийся материал, имеющий большое значение для атомной энергетики и ядерного оружия. Другой делящийся изотоп, 233 U, может образоваться нейтронным облучением 232 Th.
Кристаллические формы
Характеристики урана обусловливают его реакцию с кислородом и азотом даже в нормальных условиях. При более высоких температурах он вступает в реакцию с широким спектром легирующих металлов, образуя интерметаллические соединения. Образование твердых растворов с другими металлами происходит редко из-за особых кристаллических структур, образованных атомами элемента. Между комнатной температурой и температурой плавления 1132 °C металлический уран существует в 3 кристаллических формах, известных как альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Трансформация из α- в β-состояние происходит при 668 °C и от β до γ - при 775 °C. γ-уран имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру, а β - тетрагональную. α-фаза состоит из слоев атомов в высокосимметричной орторомбической структуре. Эта анизотропная искаженная структура препятствует атомам легирующих металлов заменять атомы урана или занимать пространство между ними в кристаллической решетке. Обнаружено, что твердые растворы образуют только молибден и ниобий.
Руды
Земная кора содержит около 2 частей урана на миллион, что говорит о его широком распространении в природе. По оценкам, океаны содержат 4,5 × 10 9 т этого химического элемента. Уран является важной составляющей более чем 150 различных минералов и второстепенным компонентом еще 50. Первичные минералы, обнаруженные в магматических гидротермальных жилах и в пегматитах, включают уранинит и его разновидность настуран. В этих рудах элемент встречается в форме диоксида, который вследствие окисления может варьироваться от UO 2 до UO 2,67 . Другой экономически значимой продукцией урановых рудников являются аутунит (гидратированный уранилфосфат кальция), тобернит (гидратированный уранилфосфат меди), коффинит (черный гидратированный силикат урана) и карнотит (гидратированный уранил-ванадат калия).
По оценкам, более 90 % известных недорогих запасов урана приходится на Австралию, Казахстан, Канаду, Россию, Южную Африку, Нигер, Намибию, Бразилию, КНР, Монголию и Узбекистан. Большие месторождения находятся в конгломератных скальных образованиях озера Эллиот, расположенного к северу от озера Гурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканском золотом прииске Витватерсранде. Песчаные образования на плато Колорадо и в Вайомингском бассейне западной части США также содержатся значительные запасы урана.
Добыча
Урановые руды встречаются как в приповерхностных, так и глубоких (300-1200 м) отложениях. Под землей мощность пласта достигает 30 м. Как и в случае с рудами других металлов, добыча урана на поверхности производится крупным землеройным оборудованием, а разработка глубоких отложений - традиционными методами вертикальных и наклонных шахт. Мировое производство уранового концентрата в 2013 г. составило 70 тыс. т. Наиболее продуктивные урановые рудники расположены в Казахстане (32 % всей добычи), Канаде, Австралии, Нигере, Намибии, Узбекистане и России.
Урановые руды обычно включают лишь небольшое количество ураносодержащих минералов, и они не поддаются плавке прямыми пирометаллургическими методами. Вместо этого для извлечения и очистки урана должны использоваться гидрометаллургические процедуры. Повышение концентрации значительно снижает нагрузку на контуры обработки, но ни один из обычных способов обогащения, обычно используемых для переработки полезных ископаемых, например гравитационный, флотация, электростатический и даже ручная сортировка, неприменимы. За немногими исключениями эти методы приводят к значительной потере урана.
Обжиг
Гидрометаллургической обработке урановых руд часто предшествует высокотемпературная стадия кальцинирования. Обжиг обезвоживает глину, удаляет углеродистые материалы, окисляет соединения серы до безобидных сульфатов и окисляет любые другие восстановители, которые могут мешать последующей обработке.
Выщелачивание
Из обожженных руд уран извлекается как кислотными, так и щелочными водными растворами. Для успешного функционирования всех систем выщелачивания химический элемент должен либо первоначально присутствовать в более стабильной 6-валентной форме, либо окисляться до этого состояния в процессе обработки.
Кислотное выщелачивание обычно проводят путем перемешивания смеси руды и выщелачивателя в течение 4-48 ч при температуре окружающей среды. За исключением особых обстоятельств используется серная кислота. Ее подают в количествах, достаточных для получения конечного щелока при рН 1,5. Схемы выщелачивания серной кислоты обычно используют либо диоксид марганца, либо хлорат для окисления четырехвалентного U 4+ до 6-валентного уранила (UO 2 2+). Как правило, для окисления U 4+ достаточно примерно 5 кг двуокиси марганца или 1,5 кг хлората натрия на тонну. В любом случае окисленный уран реагирует с серной кислотой с образованием уранилсульфатного комплексного аниона 4- .
Руда, содержащая значительное количество основных минералов, таких как кальцит или доломит, выщелачивается 0,5-1-молярным раствором карбоната натрия. Хотя были изучены и протестированы различные реагенты, основным окислителем урана является кислород. Обычно руда выщелачиваются на воздухе при атмосферном давлении и при температуре 75-80 °C в течение периода времени, который зависит от конкретного химического состава. Щелочь реагирует с ураном с образованием легкорастворимого комплексного иона 4- .
Перед дальнейшей обработкой растворы, образующиеся в результате кислотного или карбонатного выщелачивания, должны быть осветлены. Крупномасштабное разделение глин и других рудных шламов осуществляется за счет использования эффективных хлопьеобразующих агентов, в том числе полиакриламидов, гуаровой смолы и животного клея.
Экстракция
Сложные ионы 4- и 4- могут быть сорбированы из их соответствующих выщелачивающих растворов ионообменных смол. Эти специальные смолы, характеризующиеся кинетикой их сорбции и элюирования, размером частиц, стабильностью и гидравлическими свойствами, могут использоваться в различных технологиях обработки, например в неподвижном и подвижном слое, методом ионообменной смолы в пульпе корзинного и непрерывного типа. Обычно для элюирования сорбированного урана используют растворы хлорида натрия и аммиака или нитратов.
Уран можно выделить из кислых рудных щелоков путем экстракции растворителем. В промышленности используются алкилфосфорные кислоты, а также вторичные и третичные алкиламины. Как правило, экстракция растворителем предпочтительна по сравнению с ионообменными методами для кислотных фильтратов, содержащих более 1 г/л урана. Однако этот метод не применяется при карбонатном выщелачивании.
Затем уран очищают, растворяя в азотной кислоте с образованием уранилнитрата, экстрагируют, кристаллизуют и прокаливают с образованием трехокиси UO 3 . Восстановленный диоксид UO2 реагирует с фтористым водородом с образованием тетафторида UF4, из которого металлический уран восстанавливается магнием или кальцием при температуре 1300 °C.
Тетрафторид можно фторировать при температуре 350 °C до образования гексафторида UF 6 , используемого для отделения обогащенного урана-235 методом газовой диффузии, газового центрифугирования или жидкой термодиффузии.
УРАН (названием в честь открытой незадолго до него планеты Уран; лат. uranium * а. uranium; н. Uran; ф. uranium; и. uranio), U, — радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева , атомный номер 92, атомная масса 238,0289, относится к актиноидам. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238 U (99,282%, Т 1/2 4,468.10 9 лет), 235 U (0,712%, Т 1/2 0,704.10 9 лет), 234 U (0,006%, Т 1/2 0,244.10 6 лет). Известно также 11 искусственного радиоактивных изотопов урана с массовыми числами от 227 до 240. 238 U и 235 U — родоначальники двух естественные рядов распада, в результате которого они превращаются в стабильные изотопы 206 Pb и 207 Pb соответственно.
Уран открыт в 1789 в виде UO 2 немецким химиком М. Г. Клапротом. Металлический уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго. Длительное время уран имел очень ограниченное применение, и только с открытием в 1896 радиоактивности началось его изучение и использование.
Свойства урана
В свободном состоянии уран представляет собой металл светло-серого цвета; ниже 667,7°С для него характерна ромбическая (а=0,28538 нм, b=0,58662 нм, с=0,49557 нм) кристаллическая решётка (а-модификация), в интервале температур 667,7-774°С — тетрагональная (а=1,0759 нм, с=0,5656 нм; Я-модификация), при более высокой температуре — объёмноцентрированная кубическая решётка (а=0,3538 нм, g-модификация). Плотность 18700 кг/м 3 , t плавления 1135°С, t кипения около 3818°С, молярная теплоёмкость 27,66 Дж/(моль.К), удельное электрическое сопротивление 29,0.10 -4 (Ом.м), теплопроводность 22,5 Вт/(м.К), температурный коэффициент линейного расширения 10,7.10 -6 К -1 . Температура перехода урана в сверхпроводящее состояние 0,68 К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость 1,72.10 -6 . Ядра 235 U и 233 U делятся спонтанно, а также при захвате медленных и быстрых нейтронов, 238 U делится только при захвате быстрых (более 1 МэВ) нейтронов. При захвате медленных нейтронов 238 U превращается в 239 Pu. Критическая масса урана (93,5% 235U) в водных растворах менее 1 кг, для открытого шара около 50 кг; для 233 U критического Масса составляет примерно 1/3 от критической массы 235 U.
Образование и содержание в природе
Основной потребитель урана — ядерная энергетика (ядерные реакторы, ядерные силовые установки). Кроме того, уран применяется для производства ядерного оружия. Все остальные области использования урана имеют резко подчинённое значение.
