Chemický prvek uran: vlastnosti, vlastnosti, vzorec. Těžba a aplikace uranu

Uran je chemický prvek rodiny aktinidů s atomovým číslem 92. Je to nejdůležitější jaderné palivo. Jeho koncentrace v zemské kůře je asi 2 díly na milión. Mezi důležité uranové minerály patří oxid uranu (U ₃ O ₈ ), uraninit (UO ₂ ), karnotit (vanadičnan uranyl-draselný), otenit (fosfát uranyl-draselný) a torbernit (vodný měď a uranylfosfát). Tyto a další uranové rudy jsou zdroji jaderného paliva a obsahují mnohokrát více energie než všechny známé využitelné ložiska fosilních paliv. 1 kg uranu ₉₂ U dává tolik energie jako 3 miliony kg uhlí.

Historie objevů

Chemický prvek uran je hustý, pevný kov stříbřitě bílé barvy. Je tvárná, tvárná a lešitelná. Ve vzduchu je kov oxidován a vznítí se v zemi. Provádí elektřinu relativně špatně. Elektronický vzorec uranu je 7s2 6d1 5f3.

Ačkoli tento prvek byl objeven v roce 1789 německým chemikem Martinem Heinrichem Klapretem, který ho pojmenoval na počest nedávno objevené planety Uran, byl sám kov izolován v roce 1841 francouzským chemikem Eugene-Melchior Peligo tím, že snížil draslík z chloridu uranu (UCl ₄ ).

Radioaktivita

Vytvoření pravidelného systému ruským chemikem Dmitrijem Mendeleevem v roce 1869 se zaměřilo na uran jako nejtěžší ze známých prvků, které zůstal až do objevu neptunia v roce 1940. Francouzský fyzik Henri Becquerel objevil v roce 1896 fenomén radioaktivity v něm. Tato vlastnost byla později nalezena v mnoha dalších látkách. Nyní je známo, že uran radioaktivní ve všech svých izotopích se skládá ze směsi ²³⁸ U (99,27%, poločas rozpadu - 4 510 000 000 let), ²³⁵ U (0,72%, poločas rozpadu 713 000 000 let) a ²³⁴ U (0,006%, poločas rozpadu - 247 000 let). To umožňuje například určení věku hornin a minerálů pro studium geologických procesů a věku země. Za tímto účelem měří množství olova, což je konečný produkt radioaktivního rozkladu uranu. V tomto případě je ²³⁸ U počátečním prvkem a ²³⁴ U je jedním z produktů. ²³⁵ U generuje sérii rozpadu aktinia.

Otevřená řetězová reakce

Chemický prvek uran se stal předmětem rozsáhlého zájmu a intenzivního studia poté, co němečtí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann na konci roku 1938 bombardovali s pomalými neutrony objevili jaderné štěpení. Na počátku roku 1939 americký fyzik italského původu Enrico Fermi navrhl, že mezi produkty atomového štěpení mohou být elementární částice schopné vyvolat řetězovou reakci. V roce 1939 potvrdili tuto předpověď americkí fyzici Leo Szillard a Herbert Anderson, stejně jako francouzský chemik Frederic Joliot-Curie a jejich kolegové. Následné studie ukázaly, že při štěpení atomu je uvolněno 2,5 neutronů. Tyto objevy vedly k první samočinné reakci na jadernou reakci (12. 2. 1942), první atomovou bombu (16.7.1945), její první použití během nepřátelských akcí (8. 6. 1945), první atomová ponorka (1955) a první jaderná elektrárna v plném rozsahu 1957).

Oxidační stavy

Chemický prvek uran, který je silným elektropozitivním kovem, reaguje s vodou. Rozpustí se v kyselinách, ale ne v zásadách. Důležité oxidační stavy jsou +4 (jako u oxidu UO2, tetrahalogenidy, jako je UCl ₄ a ionty zelené vody U ⁴⁺ ) a +6 (jako u oxidu UO ₃ , UF ₆ hexafluoridu a uranylového iontu UO ₂ ²⁺ ). Ve vodném roztoku je uran nejstabilnější ve složení uranylového iontu, který má lineární strukturu [O = U = O] ²⁺ . Prvek také má stavy +3 a +5, ale jsou nestabilní. Červená U ^{3+ se} pomalu oxiduje ve vodě, která neobsahuje kyslík. Barva iontu UO ₂ ⁺ není známa, protože je vystavena disproporcionaci (UO ₂ ^{+ se} současně snižuje na U ⁴⁺ a oxiduje na UO ₂ ²⁺ ) i ve velmi zředěných roztokech.

Jaderné palivo

Při vystavení pomalým neutronům dochází k rozdělení atomu uranu v poměrně vzácném izotopu ²³⁵ U. Jedná se o jediný přírodní štěpitelný materiál a musí být oddělen od izotopu ²³⁸ U. Po absorpci a záporném beta rozpadu se však uran 238 změní na syntetický prutonium, který se rozděluje pod působením pomalých neutronů. Přírodní uran může být proto použit v konvertorových reaktorech a chovatelích, kde je dělení udržováno na vzácném ²³⁵ U a plutonium je produkováno současně s transmutací ²³⁸ U. Z izotopu thoria-232, který je v přírodě široce rozložen, lze štěpit ²³³ U syntetizovat pro použití jako jaderné palivo. Uran je také důležitý jako primární materiál, ze kterého jsou získány syntetické transuranové prvky.

Jiné uranové využití

Sloučeniny chemického prvku byly dříve použity jako barviva pro keramiku. Hexafluorid (UF ₆ ) je pevná látka s neobvykle vysokým tlakem par (0,15 atm = 15 300 Pa) při 25 ° C. UF _{6 je} chemicky velmi reaktivní, ale i přes svou korozivní povahu v plynném stavu je UF ₆ široce používán v metodách plynové difúze a plynové centrifugy pro výrobu obohaceného uranu.

Organokovové sloučeniny jsou zajímavou a důležitou skupinou sloučenin, ve kterých jsou kovové vazby uhlík spojeny kovem s organickými skupinami. Uranocen je organo-uranová sloučenina U (C 8H ₈ ) ₂ , ve které je atom uranu vložen mezi dvě vrstvy organických kruhů spojených s cyklookatetraenem C8H8. Jeho objev v roce 1968 otevřel nové pole organokovové chemie.

Vyčerpaný přírodní uran je používán jako prostředek radiační ochrany, předřadníku, v pancéřových nádržích a tankových pancích.

Recyklace

Chemický prvek, i když je velmi hustý (19,1 g / cm3), je relativně slabá, nehořlavá látka. Zdá se, že kovové vlastnosti uranu ji umisťují někde mezi stříbro a jiné pravé kovy a nekovy, a proto se nepoužívají jako konstrukční materiál. Hlavní hodnota uranu spočívá v radioaktivních vlastnostech jeho izotopů a jejich schopnosti rozdělit. V přírodě se téměř veškerý (99,27%) kov skládá z ²³⁸ U. Zbytek je ²³⁵ U (0,72%) a ²³⁴ U (0,006%). Z těchto přirozených izotopů je pouze ²³⁵ U přímo rozštěpen neutrónovým ozářením. Když se však absorbuje, ²³⁸ U tvoří ²³⁹ U, což se nakonec rozpadá na ²³⁹ Pu - štěpný materiál, který má velký význam pro jadernou energii a jaderné zbraně. Další štěpný izotop, ²³³ U, může být produkován ozařováním neutronů ²³² Th.

Krystalové formy

Vlastnosti uranu určují jeho reakci s kyslíkem a dusíkem i za normálních podmínek. Při vyšších teplotách reaguje se širokou škálou dopovacích kovů za vzniku intermetalických sloučenin. Tvorba pevných roztoků s jinými kovy je zřídka způsobena speciálními krystalovými strukturami vytvořenými atomy prvku. Mezi teplotou místnosti a teplotou tání 1132 ° C existuje kovový uran ve třech krystalických formách, známých jako alfa (a), beta (β) a gamma (γ). Transformace z α- do β-stavu nastává při 668 ° C a z β do γ - při 775 ° C. γ-uran má tělesnou strukturu kubických krystalů a β - tetragonální. Fáze α sestává z atomových vrstev ve vysoce symetrické orthorhombické struktuře. Tato anizotropní zkreslená struktura brání tomu, aby atomy dopovacího kovu nahrazovaly atomy uranu nebo obsadily prostor mezi nimi krystalová mřížka. Bylo zjištěno, že tuhé roztoky tvoří pouze molybden a niob.

Ore

Kůra obsahuje asi 2 díly uranu na milion, což naznačuje jeho širokou distribuci v přírodě. Odhaduje se, že oceány obsahují 4,5 × 10 ⁹ tun tohoto chemického prvku. Uran je důležitou složkou více než 150 různých minerálů a vedlejší složkou dalších 50. Primární minerály nacházející se v magmatických hydrotermálních žilách a pegmatitech zahrnují uraninit a jeho rozmanitost. V těchto rudách se prvek vyskytuje ve formě oxidu, který se v důsledku oxidace může měnit od UO ₂ do UO _2,67 . Dalšími ekonomicky významnými produkty uranových dolů jsou autunit (hydratovaný uranylfosforečnan vápenatý), tobernit (hydratovaný fosfát měďnatý uranyl), coffinit (černý hydratovaný uranový křemičitan) a karnotit (hydratovaný vanadičnan draselný uranyl).

Odhaduje se, že více než 90% známých nízkorozpočtových zásob uranu je v Austrálii, Kazachstánu, Kanadě, Rusku, Jižní Africe, Nigeru, Namibii, Brazílii, ČLR, Mongolsku a Uzbekistánu. Velké nánosy se nacházejí v konglomerátních skalních útvarech jezera Elliot, které se nacházejí severně od jezera Huron v kanadském Ontariu av jižním africkém zlatém dolu Witwatersrande. Pískové útvary na Coloradské plošině a ve Wyomingské pánvi západních Spojených států také obsahují významné rezervy uranu.

Těžba

Uranové rudy se nacházejí jak v podzemních, tak v hlubokých (300-1200 m) sedimentech. Pod zemou tloušťka nádrže dosahuje 30 m. Stejně jako u jiných kovů se těžba uranu na povrchu provádí rozsáhlým zařízením pro zemní práce a vývoj hlubokých sedimentů se provádí tradičními metodami vertikálních a nakloněných dolů. Celosvětová výroba uranového koncentrátu v roce 2013 dosáhla 70 tisíc tun. Nejvíce produktivní uranové doly se nacházejí v Kazachstánu (32% celkové produkce), Kanady, Austrálie, Nigeru, Namibie, Uzbekistánu a Ruska.

Uranové rudy obvykle obsahují jen malé množství minerálů obsahujících uran a nepodléhají tavení přímými pyrometalurgickými metodami. Místo toho by měly být použity hydrometalurgické postupy pro extrakci a čištění uranu. Zvýšení koncentrace výrazně snižuje zatížení zpracovatelských obvodů, ale žádná z obvyklých metod obohacování běžně používaných pro zpracování nerostů, jako je gravitační, flotační, elektrostatické a dokonce ruční třídění, se nepoužije. S několika výjimkami tyto metody vedou k významné ztrátě uranu.

Pálení

Hydrometalurgickým zpracováním uranových rud často předchází vysokoteplotní kalcinace. Kalcinace dehydratuje jíl, odstraňuje uhlíkaté materiály, oxiduje sloučeniny síry na neškodné sírany a oxiduje všechna další redukční činidla, která mohou ovlivňovat následné zpracování.

Vyluhování

Uran se extrahuje ze spálených rud jak kyselými, tak alkalickými vodnými roztoky. Pro úspěšné fungování všech loužicových systémů musí být chemický prvek buď zpočátku přítomen ve stabilnější 6-valentní formě, nebo musí být oxidován do tohoto stavu během zpracování.

Kyselé vyluhování se obvykle provádí mícháním směsi rudy a vyluhováním po dobu 4 až 48 hodin při teplotě okolí. Kromě zvláštních okolností kyselina sírová. Podává se v dostatečném množství k získání konečného roztoku při pH 1,5. Systémy loužení kyselinou sírovou typicky používají buď oxid manganičitý nebo chlorečnan pro oxidaci čtyřmocného U ⁴⁺ na 6-valentní uranyl (UO2 ²⁺ ). Pro oxidaci U ⁴⁺ je zpravidla asi 5 kg oxidu manganičitého nebo 1,5 kg chloranu sodného na tunu. V každém případě oxidovaný uran reaguje s kyselinou sírovou za vzniku aniontu uranylsulfátového komplexu [UO2 (SO4) ₃ ] ^4- .

Ruda obsahující významné množství základních minerálů, jako je kalcit nebo dolomit, se vyluhuje 0,5-1 molárním roztokem uhličitan sodný. Přestože byla zkoumána a testována různá činidla, kyslík je hlavním oxidačním činidlem uranu. Typicky se ruda vyplaví ve vzduchu při atmosférickém tlaku a při teplotě 75-80 ° C po určitou dobu, která závisí na specifickém chemickém složení. Alkalické sloučeniny reagují s uranem za vzniku snadno rozpustného komplexního iontu [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ^4- .

Před dalším zpracováním by měly být vyjasněny roztoky vznikající při loužení kyseliny nebo uhličitanu. Velkokapacitní separace jílu a jiného rudního kalu se provádí za použití účinných flokulačních činidel, včetně polyakrylamidů, guarové pryskyřice a lepidla pro zvířata.

Extrakce

Komplexní ionty [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ⁴ a [UO ₂ (SO ₄ ) ₃ ] ⁴ mohou být sorbovány z jejich příslušných roztoků iontově výměnných pryskyřic. Tyto speciální pryskyřice, charakterizované kinetikou jejich sorpce a eluce, velikostí částic, stabilitou a hydraulickými vlastnostmi, mohou být použity v různých technologiích zpracování, například v pevné a pohyblivé vrstvě, metodou ionexové pryskyřice v buničině koše a kontinuálním typem. Pro eluci sorbovaného uranu se obvykle používají roztoky chloridu sodného a amoniaku nebo dusičnanů.

Uran může být izolován z kyselé rudy kapalinou extrakcí rozpouštědlem. V průmyslu se používají alkylfosforečné kyseliny, jakož i sekundární a terciární alkylaminy. Obvykle je výhodnější extrakce rozpouštědlem, než metody výměny iontů pro kyselé filtráty obsahující více než 1 g / l uranu. Tato metoda se však nevztahuje na vyluhování uhličitanů.

Pak se uran vyčistí rozpuštěním kyselina dusičná s tvorbou dusičnanu uranylů, extrahuje se, krystalizuje a kalcinuje za vzniku trioxidu UO3. Redukovaný oxid UO2 reaguje s fluorovodíkem za vzniku tetrafluoridu UF4, z něhož je kovový uran redukovaný hořčíkem nebo vápníkem při teplotě 1300 ° C.

Tetrafluorid může být fluorován při teplotě 350 ° C až do vytvoření hexafluoridu UF6, který se používá k oddělení obohaceného uranu-235 difúzí plynu, odstředění plynem nebo tekuté tepelné difúze.