Урановые соединения. Радиоактивный уран

Содержание статьи

УРАН, U (uranium), металлический химический элемент семейства актиноидов, которые включают Ac, Th, Pa, U и трансурановые элементы (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уран приобрел известность благодаря использованию его в ядерном оружии и атомной энергетике. Оксиды урана применяются также для окрашивания стекла и керамики.

Нахождение в природе.

Содержание урана в земной коре составляет 0,003%, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырех видов отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO 2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.

Открытие.

Уран был открыт в 1789 немецким химиком М.Клапротом, который присвоил имя элементу в честь открытия за 8 лет перед этим планеты Уран. (Клапрот был ведущим химиком своего времени; он открыл также другие элементы, в том числе Ce, Ti и Zr.) В действительности вещество, полученное Клапротом, было не элементным ураном, но окисленной формой его, а элементный уран был впервые получен французским химиком Э.Пелиго в 1841. С момента открытия и до 20 в. уран не имел того значения, какое он имеет сейчас, хотя многие его физические свойства, а также атомная масса и плотность были определены. В 1896 А.Беккерель установил, что соли урана обладают излучением, которое засвечивает фотопластинку в темноте. Это открытие активизировало химиков к исследованиям в области радиоактивности и в 1898 французские физики супруги П.Кюри и М.Склодовская-Кюри выделили соли радиоактивных элементов полония и радия, а Э.Резерфорд, Ф.Содди, К.Фаянс и другие ученые разработали теорию радиоактивного распада, что заложило основы современной ядерной химии и атомной энергетики.

Первые применения урана.

Хотя радиоактивность солей урана была известна, его руды в первой трети нынешнего столетия использовались лишь для получения сопутствующего радия, а уран считался нежелательным побочным продуктом. Его использование было сосредоточено в основном в технологии керамики и в металлургии; оксиды урана широко применяли для окраски стекла в цвета от бледножелтого до темнозеленого, что способствовало развитию недорогих стекольных производств. Сегодня изделия этих производств идентифицируют как флуоресцирующие под ультрафиолетовыми лучами. Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично Mo и W; 4–8% урана заменяли вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914–1926 ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана, содержащего до 30% (масс.) U. Однако такое применение урана продолжалось недолго.

Современное применение урана.

Промышленность урана начала складываться в 1939, когда было осуществлено деление изотопа урана 235 U, что привело к технической реализации контролируемых цепных реакций деления урана в декабре 1942. Это было рождение эры атома, когда уран из незначительного элемента превратился в один из наиболее важных элементов в жизни общества. Военное значение урана для производства атомной бомбы и использование в качестве топлива в ядерных реакторах вызвали спрос на уран, который возрос в астрономических размерах. Интересна хронология роста потребности в уране по истории отложений в Большом Медвежьем озере (Канада). В 1930 в этом озере была обнаружена смоляная обманка – смесь оксидов урана, а в 1932 на этом участке была налажена технология очистки радия. Из каждой тонны руды (смоляной обманки) получали 1 г радия и около половины тонны побочного продукта – уранового концентрата. Однако радия было мало и его добыча была прекращена. С 1940 по 1942 разработку возобновили и начали отправку урановой руды в США. В 1949 аналогичная очистка урана с некоторыми усовершенствованиями была применена для производства чистого UO 2 . Это производство росло, и в настоящее время оно является одним из наиболее крупных производств урана.

Свойства.

Уран – один из наиболее тяжелых элементов, встречающихся в природе. Чистый металл очень плотный, пластичный, электроположительный с малой электропроводностью и высокореакционноспособный.

Уран имеет три аллотропные модификации: a -уран (орторомбическая кристаллическая решетка), существует в интервале от комнатной температуры до 668° С; b -уран (сложная кристаллическая решетка тетрагонального типа), устойчивый в интервале 668–774° С; g -уран (объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка), устойчивый от 774° С вплоть до температуры плавления (1132° С). Поскольку все изотопы урана нестабильны, все его соединения проявляют радиоактивность.

Изотопы урана

238 U, 235 U, 234 U встречаются в природе в соотношении 99,3:0,7:0,0058, а 236 U – в следовых количествах. Все другие изотопы урана от 226 U до 242 U получают искусственно. Изотоп 235 U имеет особо важное значение. Под действием медленных (тепловых) нейтронов он делится с освобождением огромной энергии. Полное деление 235 U приводит к выделению «теплового энергетического эквивалента» 2Ч 10 7 кВтЧ ч/кг. Деление 235 U можно использовать не только для получения больших количеств энергии, но также для синтеза других важных актиноидных элементов. Уран природного изотопного состава можно использовать в ядерных реакторах для производства нейтронов, образующихся при делении 235 U, в то же время избыточные нейтроны, не востребуемые цепной реакцией, могут захватываться другим природным изотопом, что приводит к получению плутония:

При бомбардировке 238 U быстрыми нейтронами протекают следующие реакции:

Согласно этой схеме, наиболее распространенный изотоп 238 U может превращаться в плутоний-239, который, подобно 235 U, также способен делиться под действием медленных нейтронов.

В настоящее время получено большое число искусственных изотопов урана. Среди них 233 U особенно примечателен тем, что он также делится при взаимодействии с медленными нейтронами.

Некоторые другие искусственные изотопы урана часто применяются в качестве радиоактивных меток (индикаторов) в химических и физических исследованиях; это прежде всего b -излучатель 237 U и a -излучатель 232 U.

Соединения.

Уран – высокореакционноспособный металл – имеет степени окисления от +3 до +6, близок бериллию в ряду активности, взаимодействует со всеми неметаллами и образует интерметаллические соединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Тонкораздробленный уран особенно реакционноспособен и при температурах выше 500° С часто вступает в реакции, характерные для гидрида урана. Кусковой уран или стружка ярко сгорает при 700–1000° С, а пары урана горят уже при 150–250° С, с HF уран реагирует при 200–400° С, образуя UF 4 и H 2 . Уран медленно растворяется в концентрированной HF или H 2 SO 4 и 85%-ной H 3 PO 4 даже при 90° С, но легко реагирует с конц. HCl и менее активно с HBr или HI. Наиболее активно и быстро протекают реакции урана с разбавленной и концентрированной HNO 3 с образованием нитрата уранила (см. ниже ). В присутствии HCl уран быстро растворяется в органических кислотах, образуя органические соли U 4+ . В зависимости от степени окисления уран образует несколько типов солей (наиболее важные среди них с U 4+ , одна из них UCl 4 – легко окисляемая соль зеленого цвета); соли уранила (радикала UO 2 2+) типа UO 2 (NO 3) 2 имеют желтую окраску и флуоресцируют зеленым цветом. Соли уранила образуются при растворении амфотерного оксида UO 3 (желтая окраска) в кислой среде. В щелочной среде UO 3 образует уранаты типа Na 2 UO 4 или Na 2 U 2 O 7 . Последнее соединение («желтый уранил») применяют для изготовления фарфоровых глазурей и в производстве флуоресцентных стекол.

Галогениды урана широко изучались в 1940–1950, так как на их основе были разработаны методы разделения изотопов урана для атомной бомбы или ядерного реактора. Трифторид урана UF 3 был получен восстановлением UF 4 водородом, а тетрафторид урана UF 4 получают разными способами по реакциям HF с оксидами типа UO 3 или U 3 O 8 или электролитическим восстановлением соединений уранила. Гексафторид урана UF 6 получают фторированием U или UF 4 элементным фтором либо действием кислорода на UF 4 . Гексафторид образует прозрачные кристаллы с высоким коэффициентом преломления при 64° С (1137 мм рт. ст.); соединение летуче (в условиях нормального давления возгоняется при 56,54° С). Оксогалогениды урана, например, оксофториды, имеют состав UO 2 F 2 (фторид уранила), UOF 2 (оксид-дифторид урана).

Уран не очень типичный актиноид, известно пять его валентных состояний - от 2+ до 6+ . Некоторые соединения урана имеют характерную окраску. Так, растворы трехвалентного урана - красного цвета, четырехвалентного - зеленого, а шестивалентный уран - он существует в форме уранил-иона (UO 2) 2+ - окрашивает растворы в желтый цвет... Тот факт, что шестивалентный уран образует соединения со многими органическими комплексообразователями, оказался очень важным для технологии извлечения элемента № 92.

Характерно, что внешняя электронная оболочка ионов урана всегда заполнена целиком; валентные электроны находятся в предыдущем электронном слое, в подоболочке 5f. Если сравнивать уран с другими элементами, то очевидно, что больше всего на него похож плутоний. Основное различие между ними - большой ионный радиус урана. Кроме того, плутоний наиболее устойчив в четырехвалентном состоянии, а уран - в шестивалентном. Это помогает разделить их, что очень важно: ядерное горючее плутоний-239 получают исключительно из урана, балластного с точки зрения энергетики урана-238. Плутоний образуется в массе урана, и их надо разделить!

Впрочем, раньше нужно получить эту самую массу урана, пройдя длинную технологическую цепочку, начинающуюся с руды. Как правило, многокомпонентной, бедной ураном руды.

Легкий изотоп тяжелого элемента

Рассказывая о получении элемента № 92, мы умышленно опустили одну важную стадию. Как известно, не всякий уран способен поддерживать цепную ядерную реакцию. Уран-238, на долю которого в природной смеси изотопов приходится 99,28%, на это не способен. Из-за того и превращают в плутоний уран-238, а природную смесь изотопов урана стремятся либо разделить, либо обогатить изотопом уран-235, способным делиться тепловыми нейтронами.

Способов разделения урана-235 и урана-238 разработано немало. Чаще всего пользуются методом газовой диффузии. Суть его в том, что если через пористую перегородку пропускать смесь двух газов, то легкий будет проходить быстрее. Еще в 1913 г. Ф. Астон таким путем частично разделил изотопы неона .

Большинство соединений урана при нормальных условиях - твердые тела и в газообразное состояние могут быть переведены только при очень высоких температурах, когда ни о каких тонких процессах разделения изотопов не может идти и речи. Однако бесцветное соединение урана с фтором - гексафторид UF 6 возгоняется уже при 56,5°С (при атмосферном давлении). UF 6 - самое летучее соединение урана, и оно лучше всего подходит для разделения его изотопов методом газовой диффузии.

Гексафториду урана свойственна большая химическая активность. Коррозия труб, насосов, емкостей, взаимодействие со смазкой механизмов - небольшой, но внушительный перечень неприятностей, которые пришлось преодолеть создателям диффузионных заводов. Встретились трудности и посерьезнее.

Гексафторид урана, получаемый фторированием естественной смеси изотопов урана, с «диффузионной» точки зрения можно рассматривать как смесь двух газов с очень близкими молекулярными массами - 349 (235+19*6) и 352 (238+19*6). Максимальный теоретический коэффициент разделения на одной диффузионной ступени для газов, столь незначительно отличающихся по молекулярной массе, равен всего 1,0043. В реальных условиях эта величина еще меньше. Получается, что повысить концентрацию урана-235 от 0,72 до 99% можно только с помощью нескольких тысяч диффузионных ступеней. Поэтому заводы по разделению изотопов урана занимают территорию в несколько десятков гектаров. Площадь пористых перегородок в разделительных каскадах заводов - величина примерно того же порядка.

Коротко о других изотопах урана

В естественный уран, кроме урана-235 и урана-238, входит уран-234. Содержание этого редкого изотопа выражается числом с четырьмя нулями после запятой. Гораздо доступнее искусственный изотоп - уран-233. Его получают, облучая в нейтронном потоке ядерного реактора торий:

232 90 Th + 10n → 233 90 Th -β-→ 233 91 Pa -β-→ 233 92 U
По всем правилам ядерной физики уран-233, как изотоп нечетный, делится тепловыми нейтронами. И самое главное, в реакторах с ураном-233 может происходить (и происходит) расширенное воспроизводство ядерного горючего. В обычном реакторе на тепловых нейтронах! Расчеты показывают, что при выгорании в ториевом реакторе килограмма урана-233 в нем же должно накопиться 1,1 кг нового урана-233. Чудо, да и только! Сожгли килограмм горючего, а горючего-то не убавилось.

Впрочем, подобные чудеса возможны лишь с ядерным горючим.

Уран-ториевый цикл в реакторах на тепловых нейтронах - главный конкурент уран-плутониевого цикла воспроизводства ядерного горючего в реакторах на быстрых нейтронах... Собственно, только из-за этого отнесли к числу стратегических материалов элемент № 90 - торий.

Другие искусственные изотопы урана не играют заметной роли. Стоит упомянуть еще лишь об уране-239 - первом изотопе в цепи превращений уран-238 плутоний-239. Его период полураспада всего 23 минуты.

Изотопы урана с массовым числом больше 240 в современных реакторах не успевают образоваться. Слишком мало время жизни урана-240, и он распадается, не успев захватить нейтрон.

В сверхмощных нейтронных потоках термоядерного взрыва ядро урана за миллионную долю секунды успевает захватить до 19 нейтронов. При этом рождаются изотопы урана с массовыми числами от 239 до 257. Об их существовании узнали по появлению в продуктах термоядерного взрыва далеких трансурановых элементов - потомков тяжелых изотопов урана. Сами «основатели рода» слишком неустойчивы к бета-распаду и переходят в высшие элементы задолго до извлечения продуктов ядерных реакций из перемешанной взрывом породы.

В современных тепловых реакторах сгорает уран-235. В уже существующих реакторах на быстрых нейтронах освобождается энергия ядер распространенного изотопа - урана-238, и если энергия - подлинное богатство, то урановые ядра уже в недалеком будущем облагодетельствуют человечество: энергия элемента N° 92 станет основой нашего существования.

Жизненно важно сделать так, чтобы уран и его производные сгорали только в атомных реакторах мирных энергетических установок, сгорали медленно, без дыма и пламени.

ЕЩЕ ОДИН ИСТОЧНИК УРАНА. В наши дни им стала морская вода. Уже действуют опытно-промышленные установки для извлечения урана из воды специальными сорбентами: окисью титана или акриловым волокном, обработанным определенными реактивами.

КТО СКОЛЬКО. В начале 80-х годов производство урана в капиталистических странах составляло около 50 000 г в год (в пересчете на U3Os). Примерно треть этого количества давала промышленность США. На втором месте - Канада, далее ЮАР. Нигор, Габон, Намибия. Из европейских стран больше всего урана и его соединений производит Франция, однако ее доля была почти в семь раз меньше, чем США.

НЕТРАДИЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Хотя не лишено оснований утверждение о том, что в наши дни химия урана и плутония изучена лучше, чем химия таких традиционных элементов, как железо, однако и в наши дни химики получают новые урановые соединения. Так, в 1977 г. журнал «Радиохимия» т. XIX, вып. 6 сообщил о двух новых соединениях уранила. Их состав - MU02(S04)2-SH20, где М - ион двухвалентного марганца или кобальта. О том, что новые соединения - именно двойные соли, а не смесь двух похожих солей, свидетельствовали рентгенограммы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Уран - девяносто второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - U от латинского «uranium». Расположен в седьмом периоде, IIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 92.

Уран представляет собой метал серебристого цвета с глянцевой поверхностью (рис. 1). Тяжелый. Ковкий, гибкий и мягкий. Присущи свойства парамагнетиков. Для урана характерно наличие трех модификаций: α-уран (ромбическая система), β-уран (тетрагональная система) и γ-уран (кубическая система), каждая из которых существует в определенном температурном диапазоне.

Рис. 1. Уран. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса урана

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии уран существует в виде одноатомных молекул U, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 238,0289.

Изотопы урана

Известно, что в стабильных изотопов уран не имеет, однако природный уран состоит из смеси тех изотопов 238 U (99,27%), 235 U и 234 U, которые являются радиоактивными.

Имеются нестабильные изотопы урана с массовыми числами от 217-ти до 242-х.

Ионы урана

На внешнем энергетическом уровне атома урана имеется три электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5р 6 5d 10 5f 3 6s 2 6р 6 6d 1 7s 2 .

В результате химического взаимодействия уран отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

U 0 -3e → U 3+ .

Молекула и атом урана

В свободном состоянии уран существует в виде одноатомных молекул U. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу урана:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

В сообщении посла Ирака в ООН Мохаммеда Али аль-Хакима от 9 июля говорится, что в распоряжение экстремистов ИГИЛ (Исламское государство Ирака и Леванта) . МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) поспешило заявить, что использованные Ираком ранее ядерные вещества имеют низкие токсические свойства, а потому захваченные исламистами материалы .

Источник в правительстве США, знакомый с ситуацией, сообщил агентству Reuters, что похищенный боевиками уран, вероятнее всего, не является обогащённым, поэтому едва ли может быть использован для изготовления ядерного оружия. Власти Ирака официально уведомили Организацию Объединённых Наций об этом инциденте и призвали «предотвратить угрозу его применения», сообщает РИА «Новости».

Соединения урана крайне опасны. О том, чем именно, а также о том, кто и как может производить ядерное топливо, рассказывает АиФ.ru.

Что такое уран?

Уран — химический элемент с атомным номером 92, серебристо-белый глянцеватый металл, периодической системе Менделеева обозначается символом U. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, содержится в земной коре (литосфере) и в морской воде и в чистом виде практически не встречается. Из изотопов урана изготавливают ядерное топливо.

Уран — тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. Фото: Commons.wikimedia.org / Original uploader was Zxctypo at en.wikipedia.

Радиоактивность урана

В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман облучили ядро урана нейтронами и сделали открытие: захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана делится и выделяет огромную энергию за счёт кинетической энергии осколков и излучения. В 1939-1940 годах Юлий Харитон и Яков Зельдович впервые теоретически объяснили, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

Что такое обогащённый уран?

Обогащённый уран — это уран, который получают при помощи технологического процесса увеличения доли изотопа 235U в уране. В результате природный уран разделяют на обогащённый уран и обеднённый. После извлечения 235U и 234U из природного урана оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. По некоторым данным, в США хранится около 560 000 тонн обеднённого гексафторида урана (UF6). Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный, 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.

В ядерной энергетике используют только обогащённый уран. Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используют как топливо в ядерных реакторах и в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технология, осуществлять которую под силу не многим странам. Обогащение урана позволяет производить атомное ядерное оружие — однофазные или одноступенчатые взрывные устройства, в которых основной выход энергии происходит от ядерной реакции деления тяжёлых ядер с образованием более лёгких элементов.

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).

Сердечник снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана. Фото: Commons.wikimedia.org / Original uploader was Nrcprm2026 at en.wikipedia

В каких странах производят обогащённый уран?

• Франция
• Германия
• Голландия
• Англия
• Япония
• Россия
• Китай
• Пакистан
• Бразилия

10 стран, дающих 94 % мировой добычи урана. Фото: Commons.wikimedia.org / KarteUrangewinnung

Чем опасны соединения урана?

Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе 0,015 мг/м³, для нерастворимых форм урана ПДК — 0,075 мг/м³. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Уран практически необратимо, как и многие другие тяжёлые металлы, связывается с белками, прежде всего, с сульфидными группами аминокислот, нарушая их функцию. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.

Применение урана в мирных целях

• Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную окраску стеклу.
• Уран натрия используется 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).
• В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
• Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

Изотоп — разновидности атомов химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Элемент III группы таблицы Менделеева, принадлежащий к актиноидам; тяжёлый слаборадиоактивный металл. Торий имеет ряд областей применения, в которых подчас играет незаменимую роль. Положение этого металла в периодической системе элементов и структура ядра предопределили его применение в области мирного использования атомной энергии.

*** Олигурия (от греч. oligos — малый и ouron — моча) — уменьшение количества отделяемой почками мочи.