Уран (химический элемент)

Материал из Циклопедии
(перенаправлено с «Уран (элемент)»)
Перейти к: навигация, поиск
← другие значения

Уран

Химический элемент
Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл
Символ, номер U, 92
Атомная масса 238,02891 а.е.м.
Электронная конфигурация [Rn] 5f3 6d1 7s2
Электроотрицательность 1,38 по шкале Поллинга
Степени окисления 6; 5; 4; 3
Плотность 19,05 г/см³
Температура плавления 1405,5 K
Температура кипения 4018 K
Структура кристаллической решетки орторомбическая
Теплопроводность (300 K) 27,5 Вт/(м·К)

Уран (лат. Uranium), U — радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов, атомный номер 92, атомная масса 238,029; серебристо-белый металл.

Содержание

[править] Общая характеристика

Схема деления урана-235

Механические свойства урана зависят от его чистоты, от режимов механической и термической обработки.

Природный уран состоит из смеси трех изотопов: 238U — 99,2739 % с периодом полураспада Т1/2 = 4,51 · 109 лет, 235U — 0,7024 % (Т1/2 = 7,13 · 108 лет) и 234U — 0,0057 % (Т1/2 = 2,48 · 105 лет). Из 11 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 227 до 240 самый долгоживущий — 233 U (Т1/2 = 1,62 · 105 лет); он получается при нейтронном облучении тория. 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

Самым распространенным изотопом урана является 238U, важным для применения в атомных электростанциях — 235U. Встречается также 234U.

Все изотопы урана радиоактивны и имеют большие периоды полураспада.

Простое вещество. Серебристо-белый металл; относится к актиноидам. Плотность — 19,07; tплав 1132 °С, tкип 3818 °С. Химически чрезвычайно активен. Реагирует с большинством неметаллов. На воздухе медленно окисляется, в порошкообразном состоянии пирофорный и горит ярким пламенем. С кислородом образует диоксид, триоксид и большое число промежуточных соединений, из которых наиболее важное значение имеет U3O8. Реагирует с водой, легко растворяется в соляной и азотной [кислот]]ах, медленно — в серной, ортофосфорной и фтороводородной кислотах. Со щелочами не взаимодействует, при нагревании реагирует с галогенами, азотом, фосфором, образуя такие важные для технологии его производства соединения, как тетрафторид, гексафторид и моносульфид. С металлами образует сплавы разных типов. Для 6-валентного урана характерно образование ионов уранила UO22+, который обладает повышенной способностью к комплексообразованию; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фосфатные и др. комплексы.

[править] История

Еще в древние времена (I век до нашей эры) природный оксид урана использовался для изготовления желтой глазури для керамики. Первая важная дата в истории исследования урана — 1789 год, когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил добытую из саксонской смоляной руды золотисто-желтую «землю» в черном металоподобном веществе. В честь наиболее далекой из известных тогда планет (открытой Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном. Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. французский химик Эжен Мелькиор Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO2. В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжелый металл серо-стального цвета и определить его атомную массу.

[править] Химические свойства

На воздухе медленно окисляется с образованием на поверхности пленки двуокиси, который не предохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии уран пирофорный, горит ярким пламенем. С кислородом образует двуокись UO2, трехокись UO3 и большое число промежуточных окислов, важнейший из которых U3О8. Эти промежуточные окислы по свойствам близки к UO2 и UO3.

В природе уран чаще всего встречается в виде оксида U3О8, который легко растворяется в смеси натрий карбоната и гидрокарбоната, чем пользуются при отделении от сопутствующих примесей:

  • [math]\mathrm {2U_3O_8 + 12Na_2CO_3 + O_2 \longrightarrow 6Na_4 [UO_2 (CO_3) _3] + 6NaOH}[/math]

Существует много других оксидов урана, важнейший для использования в атомной энергетике UO2.

UF6 — летучее вещество, поэтому используется в технологии обогащения урана.

  • [math]\mathrm {UF_6 + 3Ca \longrightarrow 3CaF_2 + U}[/math]

Уран и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.

[править] Природный уран

Уранитовая руда

Природный уран — уран, встречается в природе. Его атомный вес — 238 и содержит незначительные количества 234U, около 0,7 % 235U и 99,3 % 238U. Природный уран, конечно, добывают в урановых рудниках в форме руды и на заводах обогащения руды получают ее (руды) концентрат, чаще всего это U3О8, который часто называют «желтым кеком».

Уран является одним из важнейших для жизни химических элементов, поскольку температура Земли поддерживается благодаря энергии распада урана внутри Земли.

[править] Получение

Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5 % U. Содержание урана в земной коре составляет 0,003 %.

Первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу измельчают и смешивают с водой. Тяжелые компоненты суспензии оседают быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они оседают быстро: это тяжелые минералы. Вторичные минералы урана легче, в этом случае ранее оседает тяжелая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пуста; в ней могут быть много полезных элементов, в том числе и уран). Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод урана в раствор. Применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для добычи урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырехвалентного состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочной выщелачивания, или предварительно окислять уран до шестивалентного состояния. Не применяется кислотное выщелачивание и в тех случаях, когда урановый концентрат содержит доломит или магнезит, реагирующие с серной кислотой. В этих случаях используют гидроксид натрия. Проблему выщелачивания урана из руд решает кислородная продувка. В нагретую до 150 °C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран. На следующем этапе из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволяют решить эту проблему.

Теперь раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определенных условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируют теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать много окислительно-восстановительных реакций, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного спутника. На современных ионообменных смолах уран выделяется очень селективно. Методы ионного обмена и экстракции хороши еще и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов (содержание урана — десятые доли грамма на литр). После этих операций уран переводят в твердое состояние — в один из оксидов или в тетрафторид UF4. Но этот уран еще надо очистить от примесей элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, гафния. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистую соединение урана растворяют в азотной кислоте. При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций. Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4 · 2Н2О) и начинают осторожно прожаривать. В результате этой операции образуется оксид урана UO3, который восстанавливают водородом до UO2. На диоксид урана при температуре от 430 до 600 °C действуют сухим фтористым водородом для получения тетрафторида UF4. С этого соединения восстанавливают металлический уран с помощью кальция или магния с выходом урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.

[править] Применение

АЭС — основной потребитель урана

Металлический уран или его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Естественная смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций, продукт высокой степени обогащения — в ​​ядерных силовых установках или в реакторах, работающих на быстрых нейтронах. 235U является источником ядерной энергии в ядерном оружии. 238U служит источником вторичного ядерного горючего — плутония.

Почти весь уран, добываемый в мире, используется на атомных электростанциях (АЭС). Крупнейшим поставщиком топлива для действующих в мире ядерных реакторов Канада. В бассейне реки Атабаска на севере провинции Саскачеван добывается около 11600 тонн, или около 30 % мирового производства. На втором месте по объемам добычи — Австралия, за ней следуют США и Южная Африка.

В 2005 году мировой объем добычи урана достиг примерно 39 300 тонн, увеличившись с 2003 года на 10 %. Это составляет более половины максимальной мировой потребности в уране.

В конце первого десятилетия XXI в. мировая атомная энергия, которую производят более 30 стран, имеет хорошие перспективы — планируется ее широкомасштабное развитие, в частности построение от 300 до 600 новых атомных реакторов уже к 2025 году.

Во Франции более 75 % электроэнергии производится на АЭС, в США — 20 %, в Англии и Бельгии — около 60 %, Финляндии — 27 %. Запасы сравнительно дешевого урана для АЭС на планете равны примерно 4 млн т, и они могут быть исчерпаны, как и нефть, за 25-30 лет. В США работает более 100 АЭС.

[править] Литература

  • Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с.
  • Горный энциклопедический словарь: в 3 т. / Под ред. В. С. Белецкого. — Донецк: Восточный издательский дом, 2001—2004.
  • Любич А. И., Пчелинцев В. А. Физические основы металлургии цветных и редкоземельных металлов: Учеб. пособие. — Сумы: Изд-во СумГУ, 2009
Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты