Химичният елемент уран: свойства, характеристики, формула. Добив на уран и приложение
Уранът е химичен елемент от семейството на актинидите с атомен номер 92. Той е най-важното ядрено гориво. Концентрацията му в земната кора е около 2 части на милион. Важните уранови минерали включват уран оксид (U 3 O 8 ), уранинит (UO 2 ), карнотит (уранил-калиев ванадат), отенит (уранил-калиев фосфат) и торберит (водна мед и уранил фосфат). Тези и други уранови руди са източници на ядрено гориво и съдържат много пъти повече енергия от всички известни възстановими находища на изкопаеми горива. 1 кг уран 92 U дава толкова енергия, колкото 3 млн. Кг въглища.
История на откриването
Химичният елемент уран е плътен, твърд метал със сребристо-бял цвят. Той е пластичен, ковък и полиран. Във въздуха металът се окислява и се запалва в основното състояние. Провежда електричество сравнително слабо. Електронната формула на урана е 7s2 6d1 5f3.
Въпреки че елементът е бил открит през 1789 г. от немския химик Мартин Хайнрих Клапрот, който го нарече в чест на наскоро откритата планета Уран, самият метал е изолиран през 1841 г. от френския химик Юджийн-Мелхиор Пелиго чрез намаляване на калия от уран тетрахлорид (UCl 4 ).
радиоактивност
Създаването на периодичната система от руския химик Дмитрий Менделеев през 1869 г. се фокусира върху урана като най-тежкия от известните елементи, който остава до откриването на нептуний през 1940 г. През 1896 г. френският физик Анри Беккерел открил в него феномен на радиоактивност. Това свойство по-късно е открито в много други вещества. Сега е известно, че радиоактивният уран във всичките му изотопи се състои от смес от 238 U (99,27%, период на полуразпад - 4 510 000 000 години), 235 U (0,72%, период на полуразпад - 713 000 000 години) и 234 U (0.006%, полуживот - 247,000 години). Това позволява например да се определи възрастта на скалите и минералите за изследване на геоложките процеси и възраст на земята. За да направят това, те измерват количеството олово, което е крайният продукт на радиоактивния разпад на урана. В този случай 238 U е началният елемент, а 234 U е един от продуктите. 235 U генерира серия от разпадане на актиния.
Отворена верижна реакция
Химичният елемент уран стана обект на широк интерес и интензивно проучване, след като германските химици Ото Хан и Фриц Штрасман в края на 1938 г., когато са били бомбардирани с бавни неутрони, открили в него ядрено делене. В началото на 1939 г. американски физик с италиански произход Енрико Ферми предположи, че сред продуктите на разделянето на атома може да има елементарни частици, способни да генерират верижна реакция. През 1939 г. американските физици Лео Силард и Херберт Андерсън, както и френският химик Фредерик Жолио-Кюри и техните колеги потвърдиха тази прогноза. Последващите проучвания показват, че при разпадане на атом средно се освобождават 2,5 неутрона. Тези открития доведоха до първата самоподдържаща се ядрена верижна реакция (12/02/1942), първата атомна бомба (16.07.1945 г.), първото му използване по време на военни действия (08.06.1945), първата атомна подводница (1955 г.) и първата атомна електроцентрала ( 1957).
Състояния на окисляване
Химичният елемент уран, който е силен електропозитивен метал, реагира с вода. Разтваря се в киселини, но не и в алкали. Важни окислителни състояния са +4 (като в UO 2 оксид, тетрахалиди, като UCl 4 , и зелен воден йон U 4+ ) и +6 (както в UO 3 оксид, UF6 хексафлуорид и уранил йон UO 2 2+ ). Във воден разтвор уранът е най-стабилен в състава на ураниловия йон, който има линейна структура [O = U = O] 2+ . Елементът също има състояния +3 и +5, но те са нестабилни. Red U 3+ бавно се окислява във вода, която не съдържа кислород. Цветът на UO 2 + йон е неизвестен, тъй като претърпява диспропорциониране (UO 2 + едновременно намалява до U 4+ и се окислява до UO 2 2+ ) дори в много разредени разтвори.
Ядрено гориво
Когато е изложен на бавни неутрони, деленето на урановия атом се среща в сравнително редкия изотоп 235 U. Той е единственият естествен делящ се материал, който трябва да бъде отделен от изотопа 238 U, но след абсорбция и отрицателен бета-разпад, уран-238 се превръща в синтетичен плутониев елемент. който се разделя под действието на бавни неутрони. Ето защо, естественият уран може да се използва в реактори за преобразуване и животновъди, в които разделянето се поддържа при рядко 235 U, а плутоний се произвежда едновременно с трансмутация от 238 U. От изотопа на торий-232, широко разпространен в природата, делящите се 233 U могат да бъдат синтезирани за използване като ядрено гориво. Уранът също е важен като първичен материал, от който се получават синтетични трансуранови елементи.
Други уранови употреби
Съединенията на химичния елемент преди това се използват като багрила за керамика. Хексафлуорид (UF 6 ) е твърдо вещество с необичайно високо налягане на парите (0,15 атм = 15 300 Ра) при 25 ° С. UF 6 е химически много реактивен, но въпреки корозивния си характер в парното състояние, UF 6 се използва широко в газодифузионни и газови центрофужни методи за производство на обогатен уран.
Органометалните съединения са интересна и важна група съединения, в които метало-въглеродните връзки комбинират метал с органични групи. Ураноценът е органо-ураново съединение U (C8H8) 2 , в което уранният атом е поставен между два слоя органични пръстени, свързани с циклооктатетраен C8H8. Откритието му през 1968 г. открива нова област на органометалната химия.
Изтощеният природен уран се използва като средство за радиационна защита, баласт, в бронебойни черупки и бронетанковите.
обработване
Химичният елемент, макар и много гъст (19,1 g / cm 3 ), е относително слабо, незапалимо вещество. Всъщност металните свойства на урана я поставят някъде между среброто и другите истински метали и неметали, затова не се използва като структурен материал. Основната стойност на урана се крие в радиоактивните свойства на изотопите и способността им да се разделят. В природата почти всички метали (99.27%) се състоят от 238 U. Останалата част е 235 U (0.72%) и 234 U (0.006%). От тези естествени изотопи само 235 U се разцепват директно чрез неутронно облъчване. Въпреки това, когато се абсорбира, 238 U образува 239 U, което в крайна сметка разпада в 239 пу - разпадащ се материал, което е от голямо значение за ядрената енергия и ядрените оръжия. Друг делящ се изотоп, 233 U, може да се произведе чрез неутронно облъчване от 232 Th.
Кристални форми
Характеристиките на урана определят неговата реакция с кислород и азот дори при нормални условия. При по-високи температури той реагира с широк спектър от допиращи метали, за да образува интерметални съединения. Образуването на твърди разтвори с други метали рядко се дължи на специалните кристални структури, образувани от атомите на елемента. Между стайна температура и температура на топене 1132 ° С, метален уран съществува в 3 кристални форми, известни като алфа (α), бета (β) и гама (γ). Трансформацията от α- до β-състоянието настъпва при 668 ° C и от β до y - при 775 ° C. У-уранът има кубична кристална структура в центъра на тялото и β-тетрагонал. А-фазата се състои от атомни слоеве във високо симетрична орторомбична структура. Тази анизотропна изкривена структура предпазва металните атоми от допинг да заместват атомите на урана или да заемат пространството между тях в кристална решетка. Установено е, че твърдите разтвори образуват само молибден и ниобий.
руда
Кората съдържа около 2 части уран на милион, което показва нейното широко разпространение в природата. Изчислено е, че океаните съдържат 4,5 × 10 9 тона от този химичен елемент. Уранът е важен компонент на повече от 150 различни минерали и незначителен компонент на други 50. Първичните минерали, намиращи се в магматичните хидротермални вени и пегматити, включват уранинит и неговото разнообразие настуран. В тези руди елементът се среща под формата на диоксид, който поради окислението може да варира от UO 2 до UO 2.67 . Други икономически значими продукти на урановите рудници са аутунит (хидратиран уранил калциев фосфат), тобернит (хидратиран уранил меден фосфат), кофинит (черен хидратиран уран силикат) и карнотит (хидратиран уранил калиев ванадат).
Изчислено е, че повече от 90% от известните нискобюджетни запаси на уран са в Австралия, Казахстан, Канада, Русия, Южна Африка, Нигер, Намибия, Бразилия, КНР, Монголия и Узбекистан. Големи находища се намират в конгломератните скални образувания на езерото Елиът, разположени на север от езерото Гурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканската златна мина Witwatersrande. Пясъчните образувания на платото Колорадо и в басейна на Уайоминг в западните щати също съдържат значителни запаси от уран.
екстракция
Урановите руди се намират както в подземни, така и в дълбоки (300-1200 м) утайки. Под земята дебелината на язовира достига 30 м. Както и при рудите от други метали, добива на уран на повърхността се извършва чрез мащабно земно оборудване, а развитието на дълбоки утайки се осъществява чрез традиционни методи на вертикални и наклонени мини. Световното производство на уранови концентрати през 2013 г. възлиза на 70 хил. Т. Най-продуктивните уранови рудници са разположени в Казахстан (32% от общото производство), Канада, Австралия, Нигер, Намибия, Узбекистан и Русия.
Урановите руди обикновено включват само малко количество минерали, съдържащи уран, и не се поддават на топене чрез директни пирометалургични методи. Вместо това, хидрометалургичните процедури трябва да се използват за извличане и пречистване на уран. Увеличаването на концентрацията значително намалява натоварването на обработващите вериги, но нито един от обичайните методи за обогатяване, обичайно използвани за обработка на минерали, като гравитация, флотация, електростатично и дори ръчно сортиране, не са приложими. С няколко изключения, тези методи водят до значителна загуба на уран.
стрелба
Хидрометалургичната обработка на урановите руди често се предшества от високотемпературен етап на калциниране. Калцинирането дехидратира глина, отстранява въглеродните материали, окислява серните съединения до безвредни сулфати и окислява всички други редуциращи агенти, които могат да попречат на последващата обработка.
излужване
Уранът се извлича от изгорели руди от кисели и алкални водни разтвори. За да могат всички системи за излугване да функционират успешно, химичният елемент трябва или първоначално да се намира в по-стабилна 6-валентна форма, или да бъде окислен до това състояние по време на обработката.
Киселото излугване обикновено се извършва чрез разбъркване на сместа от руда и излугване за 4-48 часа при температура на околната среда. Освен при специални обстоятелства сярна киселина. Сервира се в количества, достатъчни за получаване на крайния разтвор при рН 1.5. Схеми за извличане на сярна киселина обикновено използват или манганов диоксид или хлорат за окисляване на четиривалентен U 4+ до 6-валентен уранил (UO 2 2+ ). Като правило, около 5 kg манганов диоксид или 1,5 kg натриев хлорат на тон е достатъчно за окисляване на U 4+ . Във всеки случай, окисленият уран реагира със сярна киселина, за да се образува уранил сулфатен комплексен анион [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4- .
Руда, съдържаща значително количество основни минерали, като калцит или доломит, се излугва с 0,5-1 моларен разтвор натриев карбонат. Въпреки че са изследвани и тествани различни реагенти, кислородът е основният окислител на урана. Обикновено рудата се излугва на въздух при атмосферно налягане и при температура от 75-80 ° С за период от време, който зависи от специфичния химичен състав. Алкалите реагират с уран, за да образуват лесно разтворим комплексен йон [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4- .
Преди по-нататъшна преработка следва да се изяснят разтворите, получени от киселинно или карбонатно излугване. Мащабното разделяне на глини и други рудни утайки се извършва чрез използване на ефективни флокулиращи агенти, включително полиакриламиди, гуарова смола и животинско лепило.
екстракция
Сложните йони [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4- и [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4 могат да бъдат сорбирани от съответните им разтвори за излугване на йонообменни смоли. Тези специални смоли, характеризиращи се с кинетиката на тяхната сорбция и елуиране, размер на частиците, стабилност и хидравлични свойства, могат да бъдат използвани в различни технологии за обработка, например в неподвижен и подвижен слой, по метода на йонообменна смола в пулпа от кошница и непрекъснат тип. Обикновено за елюиране на сорбиран уран се използват разтвори на натриев хлорид и амоняк или нитрати.
Уранът може да бъде изолиран от киселинна руда чрез екстракция с разтворител. Промишлеността използва алкилови фосфорни киселини, както и вторични и третични алкиламини. Като правило, екстракцията с разтворител е за предпочитане пред йонообменните методи за кисели филтрати, съдържащи повече от 1 g / l уран. Този метод обаче не се прилага за карбонатно излугване.
След това уранът се пречиства чрез разтваряне в азотна киселина с образуването на уранил нитрат, екстрахиран, кристализиран и калциниран с образуването на UO3 триоксид. Редуцираният UO2 диоксид реагира с водороден флуорид, за да образува тефлуорид на UF4, от който металът на урана се редуцира с магнезий или калций при температура 1300 ° С.
Тетрафлуоридът може да бъде флуориран при температура от 350 ° С до образуването на UF 6 хексафлуорид, който се използва за отделяне на обогатен уран-235 чрез газодифузия, газово центрофугиране или течна термична дифузия.