Свойства урана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Элемент уран был открыт в 1789 г. М. Г. Клапротом в ходе исследования смоляной руды Саксонских месторождений.

Необычное новое «полуметаллическое вещество» было названо ураном в честь открытой в 1781 г. планеты Уран. Клапрот и следующие за ним два поколения химиков считали, что это вновь открытое вещество представляет металлический уран. Однако в 1841 г. Е. Пелиго показал, что полученное Клапротом вещество в действительности является окислом урана UO2. Пелиго затем удалось получить металлический уран восстановлением тетрахлорида урана калием. Можно считать поэтому, что основоположником химии урана является Пелиго.

Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 году Д. И. Менделеев пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г. Сиборг пришел к выводу, что эти элементы (актиноиды) правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом №89 актинием. Такое расположение связано с тем, что у актиноидов происходит достройка 5f-электоронного подуровня. В 1896 г. Беккерель впервые обнаружил явление радиоактивности на уране. Это важное открытие стимулировало интерес к урану, который сохранился и по настоящее время.

Уран играет главную роль в разрешении проблемы ядерной энергии. Изотоп U²³⁵ имеет большое значение, так как он -- единственный природный изотоп, способный к делению на медленных нейтронах. Искусственный трансурановый элемент плутоний, также делящийся на медленных нейтронах, получен поглощением нейтронов изотопом U²³⁸ с двумя последующими превращениями, ведущими к образованию Рu²³⁹.

Целью данной работы является исследование строения и основных свойств урана. Для реализации цели в работе выполнены следующие задачи:

· изучены физические, химические, технологические, механические свойства урана;

· изучены полиморфные модификации урана и рассмотрено строения элементарной ячейки;

· рассмотрены способы получения урана;

· изучено использование и назначение урана.

1. Общие сведения и способы получения урана

Уран -- химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса -- 238,029; обозначается символом U (лат. Uranium), относится к семейству актиноидов. При нормальных условиях -- металл. Уран -- слаборадиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. Самым распространенным изотопом урана является уран-238 (имеет 146 нейтронов, составляет 99,3 % из всего урана в природе) и уран-235 (143 нейтрона, ?0,7 % всего урана, найденного в природе).

Уран широко распространен в природе. По наиболее надежной оценке, среднее содержание урана в земной коре составляет 4 * 10^-6 г/г породы. Содержание урана в породах колеблется от 0,2 * 10^_6 до 25 * 10^-6 г/г, причем наибольшие его количества встречаются в кислых (с высоким содержанием окиси кремния) породах, например в граните. Сравнительно небольшие количества урана находятся в основных базальтовых породах, подобных тем, которые слагают дно океана. Различные соображения приводят к выводу о том, что на глубине ниже 40 км от земной поверхности уран отсутствует. Количество урана в первом 20-километровом слое литосферы оценивают в 10¹⁴ т. В осадочных породах обычно присутствуют лишь незначительные количества урана. В морской воде содержание урана составляет около 1/2000 его содержания в равном по весу количестве горных пород.

Хотя уран обычно рассматривают как один из редких элементов, в действительности он присутствует в земной коре в значительно больших количествах, чем такие «обыкновенные» элементы, как кадмий, висмут, ртуть, серебро и иод. Однако простого соотношения между средним содержанием элемента в земной коре и вероятностью обнаружения экономически важных его месторождений не существует. Несмотря на наличие многочисленных широко распространенных урановых минералов, только два из них -- урановая смоляная руда и карнотит -- имеют промышленное значение, но значительные месторождения их встречаются весьма редко. Урановая смоляная руда представляет двуокись урана, однако большинство ее образцов содержит значительно больше кислорода, что связано с возрастом и выветриванием окисла. Карнотит представляет комплексный ванадат уранила и калия.

Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на г-излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом Урана в кислый раствор в виде UО₂SO₄ или комплексных анионов [UO₂(SO₄)₃]^4-, а в содовый раствор - в виде [UО₂(СО₃)₃]^4-. Для извлечения и концентрирования Урана из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органических растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щелочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидрооксид U(OH)₄. Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO₃ или U₃О₈; эти оксиды при 650-800 °С восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO₂ с последующим переводом его в UF₄обработкой газообразным фтористым водородом при 500-600 °С. UF₄ может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF₄·nН₂О плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450 °С в токе водорода. В промышленности основные способом получения Уран из UF₄ является его кальциетермическим или магниетермическим восстановление с выходом Урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.

Очень важным процессом в технологии Урана является обогащение его изотопом ²³⁵U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изотопа в чистом виде, поскольку именно ²³⁵U - основные ядерное горючее; осуществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и другими методами, основанными на различии масс ²³⁸U и ²³⁵U; в процессах разделения Уран используется в виде летучего гексафторида UF₆. При получении Урана высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критические массы; наиболее удобный способ в этом случае - восстановление оксидов Урана кальцием; образующийся при этом шлак СаО легко отделяется от Урана растворением в кислотах. Для получения порошкообразного Урана, оксида (IV), карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений применяются методы порошковой металлургии.

3. Использование, назначение

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа из природного урана сложная технологическая проблема.

Приведем некоторые цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой в 80 %, и вырабатывающего 7000 ГВт·ч в год. Работа одного такого реактора в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 % U-235, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Изотоп U²³⁸ способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим в-распадом ²³⁸U может превращаться в ²³⁹Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например, KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Тепловыделяющая способность урана

1 тонна обогащенного урана по тепловыделяющей способности равна 1 миллиону 350 тысячам тонн нефти или природного газа.

Геология

Основное применение урана в геологии -- определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами.

Другие сферы применения

· Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу.

· Уранат натрия Na₂U₂O₇ использовался как жёлтый пигмент в живописи.

· 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).

· Некоторые соединения урана светочувствительны.

· В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

· Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело -- водород + гексан).

· Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

· Соль цинкуранилацетат урана Zn[(UO₂)₃(CH₃COO)₈] применяется в аналитической химии при проведении качественного анализа катионов натрия.

Обеднённый уран

После извлечения ²³⁵U и ²³⁴U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него ²³⁴U.

Из-за того, что основное использование урана -- производство энергии, обеднённый уран -- малополезный продукт с низкой экономической ценностью. Использование обедненного урана связано в основном с его большой плотностью и относительно низкой стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно), -- используется чрезвычайно высокое сечение захвата, и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких, как рулевые поверхности летательных аппаратов. В первых экземплярах самолёта «Боинг-747» содержалось от 300 до 500 кг обеднённого урана для этих целей (с 1981 года Боинг применяет вольфрам). Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, болидах формулы-1, при бурении нефтяных скважин.

4. Физические свойства

Электронная конфигурация. Анализом атомного спектра газообразного урана определено, что основным состоянием является состояние 5f³6d7s²,⁵L6. Ионизационный потенциал для первого электрона газообразного урана составляет около 4 в. Наличие трех 5f-электронов в атоме урана соответствует его положению в переходном ряду наиболее тяжелых элементов.

Таблица изотопов урана

Кроме того, существует оксид U₃O₈. Степень окисления в нём формально дробная, а реально он представляет собой смешанный оксид урана (V) и (VI).

Нетрудно видеть, что по набору степеней окисления и характерных соединений уран близок к элементам VIB подгруппы (хрому, молибдену, вольфраму). Из-за этого его длительное время относили к этой подгруппе («размывание периодичности»). химический уран изотоп атомный

Свойства простого вещества

Химически уран весьма активен. Он быстро окисляется на воздухе и покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150--175 °C, образуя U₃O8. Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице.

Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO² или соли U⁴⁺ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO2²⁺

Соли урана(+3) (преимущественно, галогениды) -- восстановители. На воздухе при комнатной температуре они обычно устойчивы, однако при нагревании окисляются до смеси продуктов. Хлор окисляет их до UCl4. Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:

4UCl₃ + 2H₂O >3UCl₄ + UO₂ + 2H₂ ^