Element chemiczny uran: właściwości, cechy, wzór. Wydobywanie uranu i jego zastosowanie

Uran jest pierwiastkiem chemicznym rodziny aktynowców o liczbie atomowej 92. Jest najważniejszym paliwem jądrowym. Jego stężenie w skorupie ziemskiej wynosi około 2 części na milion. Do ważnych minerałów uranu należą tlenek uranu (U ₃ O ₈ ), uraninit (UO ₂ ), karnotyt (wanadan uranowo-potasowy), otenit (fosforan uranowo-potasowy) i torberinit (miedź wodna i fosforan uranu). Te i inne rudy uranu są źródłem paliwa jądrowego i zawierają wiele razy więcej energii niż wszystkie znane odzyskiwalne złoża paliw kopalnych. 1 kg uranu ₉₂ U daje tyle samo energii, co 3 miliony kg węgla.

Historia odnajdywania

Pierwiastek chemiczny uran jest gęstym, litym metalem o srebrno-białym zabarwieniu. Jest ciągliwy, ciągliwy i polerowalny. W powietrzu metal utlenia się i zapala w stanie podstawowym. Prowadzi elektryczność stosunkowo słabo. Elektroniczna formuła uranu to 7s2 6d1 5f3.

Chociaż pierwiastek odkrył w 1789 r. Niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth, który nazwał go na cześć niedawno odkrytej planety Uran, sam metal został wyizolowany w 1841 r. Przez francuskiego chemika Eugene'a-Melchiora Peligo poprzez redukcję potasu z tetrachlorku uranu (UCl ₄ ).

Radioaktywność

Stworzenie systemu okresowego przez rosyjskiego chemika Dmitrija Mendelejewa w 1869 r. Skupiało się na uranie jako najcięższym ze znanych elementów, który pozostał aż do odkrycia neptunium w 1940 r. W 1896 r. Francuski fizyk Henri Becquerel odkrył w nim zjawisko radioaktywności. Właściwość tę znaleziono później w wielu innych substancjach. Teraz wiadomo, że radioaktywny uran we wszystkich swoich izotopach składa się z mieszaniny ²³⁸ U (99,27%, okres półtrwania - 4 510 000 000 lat), ²³⁵ U (0,72%, okres półtrwania - 713 000 000 lat) i ²³⁴ U (0,006%, okres półtrwania - 247 000 lat). Pozwala to, na przykład, na określenie wieku skał i minerałów do badania procesów geologicznych i wiek ziemi. Aby to zrobić, mierzą ilość ołowiu, który jest końcowym produktem radioaktywnego rozpadu uranu. W tym przypadku ²³⁸ U jest elementem początkowym, a ²³⁴ U jest jednym z produktów. ²³⁵ U generuje serię rozpadu aktynu.

Otwieranie reakcji łańcuchowej

Uran chemiczny stał się przedmiotem szerokiego zainteresowania i intensywnych badań po tym, jak niemieccy chemicy Otto Hahn i Fritz Strassmann pod koniec 1938 roku, kiedy byli bombardowani powolnymi neutronami, odkryli w nim rozszczepienie jądrowe. Na początku 1939 roku amerykański fizyk włoskiego pochodzenia, Enrico Fermi, zasugerował, że wśród produktów rozdzielania atomów mogą występować cząstki elementarne zdolne do generowania reakcji łańcuchowej. W 1939 roku amerykańscy fizyków Leo Szillard i Herbert Anderson, a także francuski chemik Frederic Joliot-Curie i ich współpracownicy potwierdzili tę prognozę. Kolejne badania wykazały, że średnio podczas rozszczepiania atomu uwalniane są 2,5 neutrony. Odkrycia te doprowadziły do ​​pierwszej samowystarczalnej reakcji łańcuchowej (12/02/1942), pierwszej bomby atomowej (07/16/1945), pierwszego użycia podczas działań wojennych (08/06/1945), pierwszego atomowego okrętu podwodnego (1955) i pierwszej pełnowymiarowej elektrowni jądrowej ( 1957).

Stany utleniania

Pierwiastek chemiczny uran, będący silnym metalem elektrododatnim, reaguje z wodą. Rozpuszcza się w kwasach, ale nie w alkaliach. Ważne stany utleniania wynoszą +4 (jak w tlenku UO ₂ , tetrahalogenki, takie jak UCl ₄ i jon zielonej wody U ⁴⁺ ) i +6 (jak w tlenku UO ₃ , sześciofluorek UF ₆ i uranilon UO ₂ ²⁺ ). W roztworze wodnym uran jest najbardziej stabilny w składzie jonu uranu, który ma liniową strukturę [O = U = O] ²⁺ . Element ma również stany +3 i +5, ale są one niestabilne. Czerwony U ^{3+ jest} powoli utleniany w wodzie, która nie zawiera tlenu. Kolor jonu UO ₂ ⁺ jest nieznany, ponieważ ulega on dysproporcjonowaniu (UO ₂ ⁺ jednocześnie zmniejsza się do U ⁴⁺ i utlenia się do UO ₂ ²⁺ ) nawet w bardzo rozcieńczonych roztworach.

Paliwo jądrowe

Po wystawieniu na powolne neutrony, rozszczepienie atomu uranu występuje we względnie rzadkim izotopie ²³⁵ j. Jest to jedyny naturalny materiał rozszczepialny i musi być oddzielony od izotopu ²³⁸ U, jednak po absorpcji i ujemnym rozpadzie beta, uran-238 zamienia się w syntetyczny element plutonowy, który rozpada się pod działaniem wolnych neutronów. W związku z tym naturalny uran może być stosowany w reaktorach konwertorowych i hodowlach, w których podział utrzymuje się w rzadkich ²³⁵ U, a pluton jest wytwarzany jednocześnie z transmutacją ²³⁸ U. Z izotopu toru-232 szeroko rozpowszechnionego w przyrodzie, rozszczepialny ²³³ U może być zsyntetyzowany do użycia jako paliwo jądrowe. Uran jest również ważny jako główny materiał, z którego uzyskuje się syntetyczne elementy transuranowe.

Inne zastosowania uranu

Związki pierwiastka chemicznego były wcześniej stosowane jako barwniki do ceramiki. Heksafluorku (UF ₆ ) jest ciałem stałym o niezwykle wysokiej prężności par (0,15 atm = 15 300 Pa) w temperaturze 25 ° C. UF _{6 jest} chemicznie bardzo reaktywny, ale mimo swojej korozyjnej natury w stanie parowym, UF _{6 jest} szeroko stosowany w dyfuzji gazów i metod wirowania gazowego do produkcji wzbogaconego uranu.

Związki metaloorganiczne są interesującą i ważną grupą związków, w których wiązania metal-węgiel łączą metal z grupami organicznymi. Uranocen jest organiczno-uranowym związkiem U (C8H8) ₂ , w którym atom uranu jest umieszczony pomiędzy dwiema warstwami organicznych pierścieni związanych z cyklooktatetraenem C8H8. Jego odkrycie w 1968 roku otworzyło nową dziedzinę chemii metaloorganicznej.

Zubożony naturalny uran służy jako środek ochrony przed promieniowaniem, balast, w pociskach przeciwpancernych i zbrojach czołgów.

Recykling

Pierwiastek chemiczny, choć bardzo gęsty (19,1 g / cm ³ ), jest stosunkowo słabą, niepalną substancją. Rzeczywiście, metaliczne właściwości uranu wydają się umiejscawiać je gdzieś pomiędzy srebrem a innymi prawdziwymi metalami i niemetalami, dlatego nie jest on stosowany jako materiał konstrukcyjny. Główną wartością uranu są radioaktywne właściwości jego izotopów i ich zdolność do dzielenia. W naturze prawie wszystkie (99,27%) metal składa się z ²³⁸ U. Pozostała część to ²³⁵ U (0,72%) i ²³⁴ U (0,006%). Spośród tych naturalnych izotopów tylko ²³⁵ U jest bezpośrednio cięte przez napromieniowanie neutronowe. Jednak po wchłonięciu ^238U tworzy ²³⁹ U, który ostatecznie rozpada się na ²³⁹ Pu - materiał rozszczepialny, co ma ogromne znaczenie dla energii jądrowej i broni jądrowej. Kolejny rozszczepialny izotop, ²³³ U, może być wytwarzany przez napromieniowanie neutronowe ²³² Th.

Krystaliczne formy

Charakterystyka uranu określa jego reakcję z tlenem i azotem nawet w normalnych warunkach. W wyższych temperaturach reaguje z szeroką gamą domieszkowanych metali, tworząc związki międzymetaliczne. Tworzenie stałych roztworów z innymi metalami rzadko jest spowodowane specjalnymi strukturami krystalicznymi utworzonymi przez atomy pierwiastka. Między temperaturą pokojową a temperaturą topnienia 1132 ° C metaliczny uran występuje w 3 postaciach krystalicznych, znanych jako alfa (α), beta (β) i gamma (γ). Transformacja ze stanu α do β zachodzi w 668 ° C i od β do γ - w 775 ° C. γ-uran ma skupioną na ciele sześcienną strukturę krystaliczną i β-tetragonalną. Faza α składa się z warstw atomowych w wysoce symetrycznej strukturze rombowej. Ta anizotropowa zniekształcona struktura zapobiega domieszkowaniu atomów metalu przez zastąpienie atomów uranu lub zajmowanie przestrzeni między nimi sieć krystaliczna. Stwierdzono, że stałe roztwory tworzą tylko molibden i niob.

Ruda

Skórka zawiera około 2 części uranu na milion, co wskazuje na jej szeroką dystrybucję w przyrodzie. Ocenia się, że oceany zawierają 4,5 × 10 ⁹ ton tego pierwiastka. Uran jest ważnym składnikiem ponad 150 różnych minerałów i pomniejszym składnikiem kolejnych 50. Pierwotne minerały występujące w magmatycznych żyłach hydrotermalnych i pegmatytach obejmują uraninit i jego odmianę nasturan. W tych rudach pierwiastek występuje w postaci dwutlenku, który z powodu utleniania może zmieniać się od UO ₂ do UO _2.67 . Inne istotne ekonomicznie produkty kopalni uranu są autunitami (uwodniony fosforan uranowo-wapniowy), tobernit (uwodniony fosforan uranowo-miedziowy), truminit (uwodniony krzemian uranowo-czarny) i karnotyt (uwodniony wanadan uranowo-potasowy).

Szacuje się, że ponad 90% znanych tanich zasobów uranu znajduje się w Australii, Kazachstanie, Kanadzie, Rosji, RPA, Nigrze, Namibii, Brazylii, ChRL, Mongolii i Uzbekistanie. Duże złoża znajdują się w konglomeracyjnych formacjach skalnych jeziora Elliot, położonego na północ od jeziora Huron w Ontario w Kanadzie, oraz w kopalni złota Witwatersrande w RPA. Formacje piasku na Płaskowyżu Kolorado oraz w Zagłębiu Wyoming w zachodnich Stanach Zjednoczonych również zawierają znaczące rezerwy uranu.

Górnictwo

Rudy uranu występują zarówno w głębszych jak i głębokich osadach (300-1200 m). Pod ziemią grubość zbiornika osiąga 30 m. Podobnie jak w przypadku rud innych metali, wydobywanie uranu na powierzchni odbywa się za pomocą wielkogabarytowych urządzeń do robót ziemnych, a rozwój głębokich osadów odbywa się tradycyjnymi metodami pionowych i nachylonych min. Globalna produkcja koncentratu uranu w 2013 r. Wyniosła 70 tys. Ton Najbardziej produktywne kopalnie uranu zlokalizowane są w Kazachstanie (32% całkowitej produkcji), Kanadzie, Australii, Nigrze, Namibii, Uzbekistanie i Rosji.

Rudy uranu zawierają zwykle tylko niewielką ilość minerałów zawierających uran i nie nadają się do wytapiania za pomocą metod pirometalurgicznych. Zamiast tego należy zastosować procedury hydrometalurgiczne do ekstrakcji i oczyszczania uranu. Zwiększenie stężenia znacznie zmniejsza obciążenie obwodów przetwarzania, ale żadna ze zwykłych metod wzbogacania powszechnie stosowanych w przetwarzaniu minerałów, takich jak grawitacja, flotacja, elektrostatyczne, a nawet ręczne sortowanie, nie ma zastosowania. Poza kilkoma wyjątkami, metody te prowadzą do znacznej utraty uranu.

Wypalanie

Hydrometalurgiczne przetwarzanie rud uranu często poprzedzone jest etapem kalcynacji wysokotemperaturowej. Kalcynacja odwadnia glinkę, usuwa materiały węglowe, utlenia związki siarki do nieszkodliwych siarczanów i utlenia wszelkie inne czynniki redukujące, które mogą zakłócać późniejszą obróbkę.

Ługowanie

Uran jest ekstrahowany z palonych rud zarówno kwaśnymi, jak i zasadowymi roztworami wodnymi. Aby wszystkie systemy ługowania działały skutecznie, pierwiastek chemiczny musi być początkowo obecny w stabilniejszej postaci 6-walentnej lub być utleniony do tego stanu podczas przetwarzania.

Wymywanie kwasem przeprowadza się zazwyczaj przez mieszanie mieszaniny rudy i ługowania przez 4-48 godzin w temperaturze otoczenia. Z wyjątkiem szczególnych okoliczności kwas siarkowy. Jest podawany w ilościach wystarczających do uzyskania końcowego ługu o pH 1,5. W schematach ługowania kwasem siarkowym zazwyczaj stosuje się ditlenek lub chloran manganu w celu utlenienia czterowartościowego U ⁴⁺ do 6-wartościowego uranu (UO ₂ ²⁺ ). Z reguły około 5 kg ditlenku manganu lub 1,5 kg chloranu sodu na tonę wystarcza do utleniania U ⁴⁺ . W każdym razie utleniony uran reaguje z kwasem siarkowym, tworząc anion złożony z siarczanu uranylu [UO ₂ (SO ₄ ) ₃ ] ⁴ .

Ruda zawierająca znaczną ilość podstawowych minerałów, takich jak kalcyt lub dolomit, jest ługowana roztworem 0,5-1-molowym węglan sodu. Chociaż badano i testowano różne odczynniki, tlen jest głównym utleniaczem uranu. Zwykle rudę ługuje się w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 75-80 ° C przez okres czasu, który zależy od konkretnego składu chemicznego. Alkalia reaguje z uranem, tworząc łatwo rozpuszczalny jon kompleksowy [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ⁴ .

Przed dalszym przetwarzaniem należy wyjaśnić rozwiązania wynikające z ługowania kwasem lub węglanem. Oddzielanie gliny i innych złóż rud na dużą skalę odbywa się za pomocą skutecznych środków flokulujących, w tym poliakryloamidów, gumy guar i kleju zwierzęcego.

Ekstrakcja

Jony kompleksowe [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ⁴ i [UO ₂ (SO ₄ ) ₃ ] ⁴ można sorbować z odpowiednich roztworów wymywających żywic jonowymiennych. Te specjalne żywice, charakteryzujące się kinetyką ich sorpcji i elucji, wielkością cząstek, trwałością i właściwościami hydraulicznymi, mogą być stosowane w różnych technologiach przetwarzania, na przykład w nieruchomym i ruchomym złożu, za pomocą żywicy jonowymiennej w miazdze kosza i typu ciągłego. Zwykle do rozpuszczenia sorbowanego uranu stosuje się roztwory chlorku sodu i amoniaku lub azotanów.

Uran można izolować z ługu kwaśnego przez ekstrakcję rozpuszczalnikiem. W przemyśle stosuje się kwasy alkilofosforowe, a także drugorzędowe i trzeciorzędowe alkiloaminy. Z reguły ekstrakcja rozpuszczalnikiem jest korzystniejsza niż metody wymiany jonowej kwaśnych filtratów zawierających więcej niż 1 g / l uranu. Jednak ta metoda nie ma zastosowania do ługowania węglanów.

Następnie uran jest oczyszczany przez rozpuszczanie w kwas azotowy z utworzeniem azotanu uranylu, ekstrahowano, krystalizowano i kalcynowano z wytworzeniem trójtlenku UO3. Zredukowany dwutlenek UO2 reaguje z fluorowodorem w celu utworzenia fluorofluorku UF4, z którego metaliczny uran jest redukowany magnezem lub wapniem w temperaturze 1300 ° C.

Tetrafluorek można fluorować w temperaturze 350 ° C aż do utworzenia sześciofluorku UF ₆ , który stosuje się do oddzielania wzbogaconego uranu-235 przez dyfuzję gazową, wirowanie gazowe lub płynną dyfuzję termiczną.