Nuklearne tehnologije uvelike se temelje na korištenju radiokemijskih metoda, koje se pak temelje na nuklearnim fizičkim, fizikalnim, kemijskim i toksičnim svojstvima radioaktivnih elemenata.

U ovom poglavlju ćemo se ograničiti Kratak opis svojstva glavnih fisijskih izotopa - urana i plutonija.

Uran

Uran ( uran) U - element aktinidne skupine, 7-0.perioda periodni sustav elemenata, Z=92, atomska masa 238,029; najteži pronađen u prirodi.

Poznato je 25 izotopa urana, a svi su radioaktivni. Najlakše 217U (Tj/ 2 =26 ms), najteži 2 4 2 U (7 T J / 2 =i6,8 min). Postoji 6 nuklearnih izomera. Prirodni uran sadrži tri radioaktivna izotopa: 2 8 i (99, 2 739%, Ti/ 2 = 4,47109 l), 2 35U (0,7205%, G,/2 = 7,04-109 godina) i 2 34U ( 0,0056%, Ti/ 2=2.48-yuz l). Specifična radioaktivnost prirodnog urana je 2,48104 Bq, podijeljena gotovo napola između 234 U i 288 U; 2 35U daje mali doprinos (specifična aktivnost izotopa 2 zi u prirodnom uranu je 21 puta manja od aktivnosti 2 3 8 U). Poprečni presjeci hvatanja toplinskih neutrona su 46, 98 i 2,7 barna za 2 zzi, 2 35U i 2 3 8 U; odjeljak odjeljak 527 i 584 ambar za 2 zzi i 2 z 8 i, redom; prirodna mješavina izotopa (0,7% 235U) 4,2 ambar.

Stol 1. Nuklearna fizička svojstva 2 z9 Ri i 2 35Ts.

Stol 2. Hvatanje neutrona 2 35Ts i 2 z 8 C.

Šest izotopa urana sposobno je za spontanu fisiju: ​​282 U, 2 zzi, 234 U, 235 U, 2 z 6 i i 2 z 8 i. Prirodni izotopi 2 33 i 2 35 U fisiraju pod utjecajem toplinskih i brzih neutrona, a jezgre 2 3 8 sposobne su za fisiju samo kada uhvate neutrone s energijom većom od 1,1 MeV. Pri hvatanju neutrona s nižom energijom, jezgre 288 U prvo se transformiraju u jezgre 2 -i9U, koje zatim prolaze kroz p-raspad i transformiraju se najprije u 2 -"*9Np, a zatim u 2 39Pu. Efektivni presjeci za hvatanje toplinske neutrona od 2 35U i 2 z 8 i jednaka su 98, 683 i 2,7-barnu, respektivno, dovodi do "ekvivalenta toplinske energije" od 2-107 kWh/kg 2 35U i 2 zi koriste se kao nuklearno gorivo lančane reakcije fisije.

Nuklearni reaktori proizvode n umjetnih izotopa urana s masenim brojevima 227-^240, od kojih je najdugovječniji 233U (7 V 2 =i.62 *io 5 godina); dobiva se neutronskim zračenjem torija. U super-snažnim tokovima neutrona termonuklearne eksplozije rađaju se izotopi urana s masenim brojevima od 239^257.

Uran-232- tehnogeni nuklid, a-emiter, T x / 2=68,9 godina, matični izotopi 2 h 6 Pu(a), 23 2 Np(p*) i 23 2 Ra(p), nuklid kćeri 228 Th. Intenzitet spontane fisije je 0,47 podjela/s kg.

Uran-232 nastaje kao rezultat sljedećih raspada:

P + -raspad nuklida *3 a Np (Ti/ 2 =14,7 min):

U nuklearnoj industriji, 2 3 2 U se proizvodi kao nusproizvod tijekom sinteze fisibilnog (oružanog) nuklida 2 zi u ciklusu torijevog goriva. Kada se 2 3 2 Th ozrači neutronima, dolazi do glavne reakcije:

i sporedna reakcija u dva koraka:

Proizvodnja 232 U iz torija događa se samo s brzim neutronima (E„>6 MeV). Ako polazna tvar sadrži 2 3°TH, tada se stvaranje 2 3 2 U nadopunjuje reakcijom: 2 3°TH + u-> 2 3'TH. Ova reakcija se odvija korištenjem toplinskih neutrona. Generacija 2 3 2 U je nepoželjna iz više razloga. Suzbija se korištenjem torija s minimalnom koncentracijom od 2 3°TH.

Raspad 2 × 2 odvija se u sljedećim smjerovima:

Raspad u 228 Th (vjerojatnost 10%, energija raspada 5,414 MeV):

energija emitiranih alfa čestica je 5,263 MeV (u 31,6% slučajeva) i 5,320 MeV (u 68,2% slučajeva).

• - spontana fisija (vjerojatnost manja od ~ 12%);
• - raspad klastera uz stvaranje nuklida 28 Mg (vjerojatnost raspada manja od 5*10" 12%):

Raspad klastera uz stvaranje nuklida 2

Uran-232 je začetnik dugog lanca raspada, koji uključuje nuklide - emitere tvrdih y-kvanta:

^U-(3,64 dana, a,y)-> 220 Rn-> (55,6 s, a)-> 21b Po->(0,155 s, a)-> 212 Pb->(10,64 sati , p, y) - > 212 Bi -> (60,6 m, p, y) -> 212 Po a, y) -> 208x1, 212 Po -> (3 "Yu' 7 s, a) -> 2o8 Pb (ubod), 2o8 T1- >(3,06 m, p, y-> 2o8 Pb.

Akumulacija 2 3 2 U neizbježna je tijekom proizvodnje 2 zi u torijevom energetskom ciklusu. Intenzivno y-zračenje koje proizlazi iz raspada 2 3 2 U koči razvoj energije torija. Ono što je neobično jest da parni izotop 2 3 2 11 ima visok presjek fisije pod utjecajem neutrona (75 barna za toplinske neutrone), kao i visok presjek hvatanja neutrona - 73 barna. 2 3 2 U se koristi u metodi radioaktivnih tragova u kemijskim istraživanjima.

2 h 2 i začetnik je dugog lanca raspada (prema shemi 2 h 2 T), koji uključuje nuklide emitere tvrdih y-kvanta. Akumulacija 2 3 2 U neizbježna je tijekom proizvodnje 2 zi u torijevom energetskom ciklusu. Intenzivno y-zračenje koje proizlazi iz raspada 232 U koči razvoj energije torija. Ono što je neobično jest da parni izotop 2 3 2 U ima visok presjek fisije pod utjecajem neutrona (75 barna za toplinske neutrone), kao i visok presjek hvatanja neutrona - 73 barna. 2 3 2 U se često koristi u metodi radioaktivnih tragova u kemijskim i fizičkim istraživanjima.

Uran-233- umjetni radionuklid, a-emiter (energija 4,824 (82,7%) i 4,783 MeV (14,9%), TVI= 1,585105 godina, matični nuklidi 2 37Pu(a)-? 2 33Np(p +)-> 2 zzRa(r), kći nuklid 22 9Th. 2 zzi se dobiva u nuklearnim reaktorima iz torija: 2 z 2 Th hvata neutron i prelazi u 2 zzT, koji se raspada u 2 zzRa, a potom u 2 zzi. Jezgre 2 zi (odd izotopa) sposobne su i za spontanu fisiju i za fisiju pod utjecajem neutrona bilo koje energije, što je čini pogodnom za proizvodnju atomskog oružja i reaktorskog goriva. Efektivni presjek fisije je 533 barna, presjek hvatanja je 52 barna, prinos neutrona: po događaju fisije - 2,54, po apsorbiranom neutronu - 2,31. Kritična masa 2 zzi je tri puta manja od kritične mase 2 35U (-16 kg). Intenzitet spontane fisije je 720 podjela/s kg.

Uran-233 nastaje kao rezultat sljedećih raspada:

- (3 + -raspad nuklida 2 33Np (7^=36,2 min):

U industrijskim razmjerima, 2 zi se dobiva iz 2 32Th ozračivanjem neutronima:

Kada se neutron apsorbira, jezgra 2 zzi obično se cijepa, ali povremeno uhvati neutron, pretvarajući se u 2 34U. Iako se 2 zzi obično dijeli nakon apsorbiranja neutrona, ponekad zadržava neutron, pretvarajući se u 2 34U. Proizvodnja 2 zzi odvija se u brzim i toplinskim reaktorima.

Sa stajališta oružja, 2 ZZI je usporediv s 2 39Pu: njegova radioaktivnost je 1/7 aktivnosti 2 39Pu (Ti/ 2 = 159200 litara u odnosu na 24100 litara za Pu), kritična masa 2 zi je 60% veća od mase ^Pu (16 kg u odnosu na 10 kg), a brzina spontane fisije je 20 puta veća (bth - ' u odnosu na 310 10). Tok neutrona iz 2 zzi je tri puta veći od onog iz 2 39Pi. Stvaranje nuklearnog naboja na temelju 2 zi zahtijeva više truda nego na ^Pi. Glavna prepreka je prisutnost nečistoće 232 U u 2ZZI, čije y-zračenje projekata raspada otežava rad s 2ZZI i olakšava otkrivanje gotovog oružja. Osim toga, kratko vrijeme poluraspada od 2 3 2 U čini ga aktivnim izvorom alfa čestica. 2 zi s 1% 232 i ima tri puta jaču a-aktivnost od oružanog plutonija i, sukladno tome, veću radiotoksičnost. Ova a-aktivnost uzrokuje stvaranje neutrona u lakim elementima naboja oružja. Da bi se ovaj problem sveo na minimum, prisutnost elemenata kao što su Be, B, F, Li trebala bi biti minimalna. Prisutnost neutronske pozadine ne utječe na rad implozijskih sustava, ali topovski krugovi zahtijevaju visoku razinu čistoće za lake elemente. Sadržaj 23 2 U u oružju razine 2 zis ne smije premašiti 5 dijelova na milijun (0,0005 %. ).U gorivu termoenergetskih reaktora, prisutnost 232U nije štetna, čak je i poželjna, jer smanjuje mogućnost korištenja urana za potrebe oružja, sadržaj 232U doseže oko 1+0,2%.

Raspad 2 zi odvija se u sljedećim smjerovima:

Raspad u 22 9Th (vjerojatnost 10%, energija raspada 4,909 MeV):

energija emitiranih yahr čestica je 4,729 MeV (u 1,61% slučajeva), 4,784 MeV (u 13,2% slučajeva) i 4,824 MeV (u 84,4% slučajeva).

• - spontana dioba (vjerojatnost
• - raspad klastera uz stvaranje nuklida 28 Mg (vjerojatnost raspada manja od 1,3*10_13%):

Raspad klastera uz stvaranje nuklida 24 Ne (vjerojatnost raspada 7,3-10-“%):

Lanac raspada 2 zzi pripada nizu neptunija.

Specifična radioaktivnost 2 zi je 3,57-8 Bq/g, što odgovara a-aktivnosti (i radiotoksičnosti) od -15% plutonija. Samo 1% 2 3 2 U povećava radioaktivnost na 212 mCi/g.

Uran-234(Uran II, UII) dio je prirodnog urana (0,0055%), 2,445105 godina, a-emiter (energija a-čestice 4,777 (72%) i

4,723 (28%) MeV), matični radionuklidi: 2 h 8 Pu(a), 234 Pa(P), 234 Np(p +),

kći izotop u 2 z”th.

Tipično, 234 U je u ravnoteži s 2 h 8 u, raspadajući se i stvarajući istom brzinom. Otprilike polovica radioaktivnosti prirodnog urana pridonosi 234U. Obično se 234U dobiva kromatografijom ionske izmjene starih pripravaka čistog 2 × 8 Pu. Tijekom a-raspada *zRi ustupa mjesto 2 34U, pa su stari pripravci 2 h 8 Ru dobri izvori 2 34U. yuo g 238Pi sadržavati nakon godinu dana 776 mg 2 34U, nakon 3 godine

2,2 g 2 34U. Koncentracija 2 34U u visoko obogaćenom uranu prilično je visoka zbog preferencijalnog obogaćivanja lakim izotopima. Budući da je 2 34u jak y-emiter, postoje ograničenja njegove koncentracije u uranu namijenjenom preradi u gorivo. Povećana razina 234 i prihvatljiv je za reaktore, ali prerađeno istrošeno gorivo već sadrži neprihvatljive razine ovog izotopa.

Raspad 234i odvija se u sljedećim smjerovima:

A-raspad na 2 3°T (vjerojatnost 100%, energija raspada 4,857 MeV):

energija emitiranih alfa čestica je 4,722 MeV (u 28,4% slučajeva) i 4,775 MeV (u 71,4% slučajeva).

• - spontana dioba (vjerojatnost 1,73-10-9%).
• - raspad klastera uz stvaranje nuklida 28 Mg (vjerojatnost raspada 1,4-10%, prema drugim podacima 3,9-10%):

• - raspad klastera uz stvaranje nuklida 2 4Ne i 26 Ne (vjerojatnost raspada 9-10", 2%, prema drugim podacima 2,3-10_11%):

Jedini poznati izomer je 2 34ti (Tx/ 2 = 33,5 μs).

Apsorpcijski presjek 2 34U toplinska neutrona je 100 barna, a za integral rezonancije usrednjen za razne srednje neutrone iznosi 700 barna. Stoga se u reaktorima toplinskih neutrona pretvara u fisijski 235U bržom brzinom nego što se mnogo veća količina 238U (s poprečnim presjekom od 2,7 barna) pretvara u 2 39Ru. Kao rezultat toga, potrošeno gorivo sadrži manje 2 34U nego svježe gorivo.

Uran-235 pripada obitelji 4P+3, sposoban je proizvesti lančanu reakciju fisije. Ovo je prvi izotop kod kojeg je otkrivena reakcija prisilne nuklearne fisije pod utjecajem neutrona. Apsorpcijom neutrona 235U postaje 2 zbi, koji se dijeli na dva dijela, oslobađajući energiju i emitirajući nekoliko neutrona. Fisibilan neutronima bilo koje energije i sposoban za spontanu fisiju, izotop 2 35U dio je prirodnog ufana (0,72%), a-emitera (energije 4,397 (57%) i 4,367 (18%) MeV), Ti/j=7,038-8 godina, matični nuklidi 2 35Pa, 2 35Np i 2 39Pu, kćeri - 23Th. Brzina spontane fisije 2 3su 0,16 fisije/s kg. Pri fisiji jedne jezgre 2 35U oslobađa se 200 MeV energije = 3,210 pJ, tj. 18 TJ/mol=77 TJ/kg. Presjek fisije toplinskim neutronima je 545 barna, a brzim neutronima - 1,22 barna, prinos neutrona: po fisijskom aktu - 2,5, po apsorbiranom neutronu - 2,08.

Komentar. Poprečni presjek za hvatanje sporih neutrona za proizvodnju izotopa 2 sii (oo barn), tako da je ukupni presjek apsorpcije sporih neutrona 645 barn.

• - spontana fisija (vjerojatnost 7*10~9%);
• - raspad klastera uz stvaranje nuklida 2 °Ne, 2 5Ne i 28 Mg (vjerojatnosti su 8-io_10%, 8-kg 10%, 8*10",0%):

Riža. 1.

Jedini poznati izomer je 2 35n»u (7/ 2 = 2b min).

Specifična aktivnost 2 35C 7,77-4 Bq/g. Kritična masa urana za oružje (93,5% 2 35U) za kuglu s reflektorom je 15-7-23 kg.

Fisija 2 » 5U koristi se u atomskom oružju, za proizvodnju energije i za sintezu važnih aktinoida. Lančana reakcija održava se viškom neutrona nastalih tijekom fisije 2 35C.

Uran-236 prirodno se nalazi na Zemlji u tragovima (ima ga više na Mjesecu), a-emiter (?

Riža. 2. Radioaktivna obitelj 4/7+2 (uključujući -z 8 i).

U atomskom reaktoru 2 sz apsorbira toplinski neutron, nakon čega fisira s vjerojatnošću od 82%, a s vjerojatnošću od 18% emitira y-kvant i prelazi u 2 sb i (za 100 fisiranih jezgri 2 35U postoji su 22 nastale jezgre 2 3 6 U) . U malim količinama ulazi u sastav svježeg goriva; nakuplja se kada se uran ozrači neutronima u reaktoru, te se stoga koristi kao "signalni uređaj" za istrošeno nuklearno gorivo. 2 hb i nastaje kao nusproizvod pri odvajanju izotopa difuzijom plina tijekom regeneracije iskorištenog nuklearnog goriva. 236 U, neutronski otrov nastao u energetskom reaktoru, njegova se prisutnost u nuklearnom gorivu kompenzira visoka razina obogaćivanje 2 35U.

2 z b i koristi se kao tragač miješanja oceanskih voda.

uran-237,T&= 6,75 dana, beta i gama emiter, može se dobiti iz nuklearnih reakcija:

Detekcija 287 i provedena duž linija s Ey= o,ob MeV (36%), 0,114 MeV (0,06%), 0,165 MeV (2,0%), 0,208 MeV (23%)

237U se koristi u metodi radiotracera u kemijskim istraživanjima. Mjerenje koncentracije (2-4°Am) u padalinama iz ispitivanja atomskog oružja daje vrijedne informacije o vrsti punjenja i korištenoj opremi.

Uran-238- pripada obitelji 4P+2, fisibilan je neutronima visoke energije (više od 1,1 MeV), sposoban za spontanu fisiju, čini osnovu prirodnog urana (99,27%), a-emiter, 7’; /2=4>468-109 godina, izravno se raspada u 2 34Th, stvara brojne genetski srodne radionuklide, a nakon 18 produkata pretvara se u 206 Rb. Čisti 2 3 8 U ima specifičnu radioaktivnost od 1,22-104 Bq. Vrijeme poluraspada je vrlo dugo - oko 10 16 godina, pa je vjerojatnost fisije u odnosu na glavni proces - emisiju alfa čestice - samo 10" 7. Jedan kilogram urana daje samo 10 spontanih fisija u sekundi, a za isto vrijeme alfa čestice emitiraju 20 milijuna matičnih nuklida: 2 4 2 Pu(a), *38ra(p-) 234Th, kći. T,/ 2 = 2 :i 4 Th.

Uran-238 nastaje kao rezultat sljedećih raspada:

2 (V0 4) 2 ] 8H 2 0. Od sekundarnih minerala čest je hidratizirani kalcijev uranil fosfat Ca(U0 2) 2 (P0 4) 2 -8H 2 0. Često uz uran u mineralima dolaze i drugi korisni elementi – titan , tantal, rijetke zemlje. Stoga je prirodno težiti kompleksnoj preradi ruda koje sadrže uran.

Osnovna fizikalna svojstva urana: atomska masa 238,0289 amu. (g/mol); atomski polumjer 138 pm (1 pm = 12 m); energija ionizacije (prvi elektron 7,11 eV; elektronska konfiguracija -5f36d‘7s 2; oksidacijska stanja 6, 5, 4, 3; GP l = 113 2, 2 °; T t l=3818°; gustoća 19,05; specifični toplinski kapacitet 0,115 JDKmol); vlačna čvrstoća 450 MPa, toplina taljenja 12,6 kJ/mol, toplina isparavanja 417 kJ/mol, specifična toplina 0,115 J/(mol-K); molarni volumen 12,5 cm3/mol; karakteristična Debyeova temperatura © D =200K, temperatura prijelaza u supravodljivo stanje oko.68K.

Uran je teški, srebrnobijeli, sjajni metal. Nešto je mekši od čelika, savitljiv, fleksibilan, ima mala paramagnetska svojstva i piroforan je u obliku praha. Uran ima tri alotropska oblika: alfa (ortorombski, a-U, parametri rešetke 0=285, b= 587, c=49b pm, stabilan do 667,7°), beta (tetragonalni, p-U, stabilan od 667,7 do 774,8°), gama (s kubičnom tjelesno centriranom rešetkom, y-U, postoji od 774,8° do tališta, frm= ii34 0), kod kojih je uran najsavitljiviji i najprikladniji za obradu.

Na sobnoj temperaturi, ortorombska a-faza je stabilna; prizmatična struktura sastoji se od valovitih atomskih slojeva paralelnih s ravninom ABC, u izrazito asimetričnoj prizmatičnoj rešetki. Unutar slojeva atomi su čvrsto povezani, dok je čvrstoća veza između atoma u susjednim slojevima znatno slabija (slika 4). Ova anizotropna struktura otežava legiranje urana s drugim metalima. Samo molibden i niobij stvaraju čvrste legure s uranom. Međutim, metalni uran može komunicirati s mnogim legurama, tvoreći intermetalne spojeve.

U području 668^775° nalazi se (3-uran. Rešetka tetragonalnog tipa ima slojevitu strukturu sa slojevima paralelnim s ravninom ab na pozicijama 1/4S, 1/2 S i 3/4C jedinične ćelije. Na temperaturama iznad 775° nastaje y-uran s tjelesno centriranom kubičnom rešetkom. Dodavanje molibdena omogućuje prisutnost y-faze na sobnoj temperaturi. Molibden tvori širok raspon čvrstih otopina s y-uranom i stabilizira y-fazu na sobnoj temperaturi. y-Uran je mnogo mekši i savitljiviji od krhke a- i (3-faze.

Neutronsko zračenje ima značajan utjecaj na fizikalna i mehanička svojstva urana, uzrokujući povećanje veličine uzorka, promjenu oblika, kao i oštro pogoršanje mehaničkih svojstava (puzanje, krtost) uranovih blokova tijekom rad nuklearnog reaktora. Povećanje volumena nastaje zbog nakupljanja u uranu tijekom fisije nečistoća elemenata manje gustoće (prijevod 1% urana u fragmentacijske elemente povećava volumen za 3,4%).

Riža. 4. Neke kristalne strukture urana: a - a-uran, b - p-uran.

Najčešće metode za dobivanje urana u metalnom stanju su redukcija njegovih fluorida alkalijskim ili zemnoalkalijskim metalima ili elektroliza rastaljenih soli. Uran se također može dobiti metalotermičkom redukcijom iz karbida s volframom ili tantalom.

Sposobnost lakog otpuštanja elektrona određuje redukcijska svojstva urana i njegovu veću kemijsku aktivnost. Uran može djelovati s gotovo svim elementima osim s plemenitim plinovima, postižući oksidacijska stanja +2, +3, +4, +5, +6. U otopini je glavna valencija 6+.

Brzo oksidirajući na zraku, metalni uran prekriven je preljevnim oksidnim filmom. Fini uranov prah spontano se zapali na zraku (pri temperaturama od 1504-175°), stvarajući i;) Ov. Na 1000°, uran se spaja s dušikom, stvarajući žuti uranov nitrid. Voda može reagirati s metalom, sporo na niskim temperaturama i brzo na visokim temperaturama. Uran burno reagira s kipućom vodom i parom pri čemu se oslobađa vodik, koji s uranom tvori hidrid

Ova reakcija je energičnija od izgaranja urana u kisiku. Ova kemijska aktivnost urana čini nužnim zaštititi uran u nuklearnim reaktorima od kontakta s vodom.

Uran se otapa u klorovodičnoj, dušičnoj i drugim kiselinama, tvoreći U(IV) soli, ali ne stupa u interakciju s alkalijama. Uran istiskuje vodik iz anorganske kiseline i otopine soli metala kao što su živa, srebro, bakar, kositar, platina i zlato. Kad se snažno protrese, metalne čestice urana počinju svijetliti.

Strukturne značajke elektronskih ljuski atoma urana (prisutnost ^/-elektrona) i neka njegova fizikalno-kemijska svojstva služe kao osnova za klasifikaciju urana kao člana niza aktinoida. Međutim, postoji kemijska analogija između urana i Cr, Mo i W. Uran je vrlo reaktivan i reagira sa svim elementima osim s plemenitim plinovima. U čvrstoj fazi, primjeri U(VI) su uranil trioksid U0 3 i uranil klorid U0 2 C1 2. Uran tetraklorid UC1 4 i uran dioksid U0 2

Primjeri U(IV). Tvari koje sadrže U(IV) obično su nestabilne i postaju heksavalentne ako su dugotrajno izložene zraku.

U sustavu uran-kisik ugrađeno je šest oksida: UO, U0 2, U 4 0 9 i 3 Ov, U0 3. Karakterizira ih širok raspon homogenosti. U0 2 je bazični oksid, dok je U0 3 amfoteran. U0 3 - u interakciji s vodom stvara niz hidrata, od kojih su najvažniji diuranska kiselina H 2 U 2 0 7 i uranska kiselina H 2 1U 4. S lužinama U0 3 stvara soli ovih kiselina - uranate. Kada se U0 3 otopi u kiselinama, nastaju soli dvostruko nabijenog uranilnog kationa U0 2 a+.

Uranov dioksid, U0 2, stehiometrijskog sastava je smeđe boje. Kako se sadržaj kisika u oksidu povećava, boja se mijenja iz tamnosmeđe u crnu. Kristalna struktura tipa CaF 2, A = 0,547 nm; gustoća 10,96 g/cm"* (najveća gustoća među uranovim oksidima). T , pl =2875 0 , Tk „ = 3450°, D#°298 = -1084,5 kJ/mol. Uranov dioksid je poluvodič s rupastom vodljivošću i jakim paramagnetikom. MPC = o.015 mg/m3. Netopljivo u vodi. Pri temperaturi od -200° dodaje kisik, dostižući sastav U0 2>25.

Uran (IV) oksid može se pripraviti sljedećim reakcijama:

Uranov dioksid pokazuje samo bazična svojstva; odgovara bazičnom hidroksidu U(OH) 4, koji se zatim pretvara u hidratirani hidroksid U0 2 H 2 0. Uranov dioksid se u odsutnosti atmosferskog kisika polako otapa u jakim neoksidirajućim kiselinama. stvaranje III + iona:

U0 2 + 2H 2 S0 4 ->U(S0 4) 2 + 2H 2 0. (38)

Topljiv je u koncentriranim kiselinama, a brzina otapanja može se značajno povećati dodavanjem iona fluora.

Kada se otopi u dušična kiselina dolazi do stvaranja uranilnog iona 1U 2 2+:

Triuran oktaoksid U 3 0s (uranijev oksid) je prah čija boja varira od crne do tamno zelene; kod jačeg zgnječenja poprima maslinastozelenu boju. Veliki crni kristali ostavljaju zelene pruge na porculanu. Poznate su tri kristalne modifikacije U 3 0 h: a-U 3 C>8 - rombska kristalna struktura (prostorna skupina C222; 0 = 0,671 nm; 6 = 1,197 nm; c = o,83 nm; d =0,839 nm); p-U 3 0e - rombska kristalna struktura (prostorna grupa Stst; 0=0,705 nm; 6 = 1,172 nm; 0=0,829 nm. Početak razgradnje je oooo° (prijelazi na 100 2), MPC = 0,075 mg/m3.

U 3 C>8 može se dobiti reakcijom:

Kalcinacijom U0 2, U0 2 (N0 3) 2, U0 2 C 2 0 4 3H 2 0, U0 4 -2H 2 0 ili (NH 4) 2 U 2 0 7 na 750 0 na zraku ili u atmosferi kisika ( p = 150+750 mmHg) dobiti stehiometrijski čisti U 3 08.

Kada se U 3 0s kalcinira na T>oooo°, reducira se na 10 2, ali se nakon hlađenja na zraku vraća u U 3 0s. U 3 0e se otapa samo u koncentriranim jakim kiselinama. U klorovodičnoj i sumpornoj kiselini nastaje smjesa U(IV) i U(VI), au dušičnoj kiselini - uranil nitrat. Razrijediti sumpornu i klorovodična kiselina vrlo slabo reagiraju s U 3 Os čak i pri zagrijavanju; dodatak oksidirajućih sredstava (nitratna kiselina, piroluzit) naglo povećava brzinu otapanja. Koncentrirani H 2 S0 4 otapa U 3 Os da nastane U(S0 4) 2 i U0 2 S0 4 . Dušična kiselina otapa U 3 Oe pri čemu nastaje uranil nitrat.

Uranov trioksid, U0 3 - kristalna ili amorfna tvar svijetložute boje. Reagira s vodom. MDK = 0,075 mg/m3.

Dobiva se kalciniranjem amonijevih poliuranata, uranovog peroksida, uranil oksalata na 300-500° i uranil nitrat heksahidrata. Time nastaje narančasti prah amorfne strukture s gustoćom

6,8 g/cm2. Kristalni oblik IU 3 može se dobiti oksidacijom U 3 0 8 na temperaturama od 450°h-750° u struji kisika. Postoji šest kristalnih modifikacija U0 3 (a, (3, y> §> ?, n) - U0 3 je higroskopan i na vlažnom zraku prelazi u uranil hidroksid. Njegovim zagrijavanjem na 520°-^6oo° dobiva se spoj sastava 1U 2>9, daljnje zagrijavanje do 6oo° omogućuje dobivanje U 3 Os.

Vodik, amonijak, ugljik, alkalijski i zemnoalkalijski metali reduciraju U0 3 u U0 2. Pri prolasku mješavine plinova HF i NH3 nastaje UF4. Pri višoj valenciji uran pokazuje amfoterna svojstva. Kada su izložene kiselinama U0 3 ili njegovim hidratima, nastaju uranilne soli (U0 2 2+), obojene žuto-zeleno:

Većina uranilnih soli vrlo je topljiva u vodi.

Kada se spoji s alkalijama, U0 3 stvara soli uranske kiseline - MDKH uranate:

S alkalnim otopinama uran trioksid stvara soli poliuranske kiseline - poliuranate DHM 2 0y1U 3 pH^O.

Soli uranske kiseline praktički su netopljive u vodi.

Kisela svojstva U(VI) su manje izražena od bazičnih.

Uran reagira s fluorom na sobnoj temperaturi. Stabilnost viših halogenida opada od fluorida do jodida. Fluoridi UF 3, U4F17, U2F9 i UF 4 su nehlapljivi, a UFe je hlapljiv. Najvažniji fluoridi su UF 4 i UFe.

Ftppippiyanir okgilya t"yanya ppptrkart prema praksi:

Reakcija u fluidiziranom sloju provodi se prema jednadžbi:

Moguće je koristiti sredstva za fluoriranje: BrF 3, CC1 3 F (freon-11) ili CC1 2 F 2 (freon-12):

Uranov fluorid (1U) UF 4 („zelena sol”) je prah plavkasto-zelenkaste do smaragdne boje. G 11L = yuz6°; Gk,«,.=-1730°. DN° 29 8 = 1856 kJ/mol. Kristalna struktura je monoklinska (sp. gp. C2/s; 0=1,273 nm; 5=1,075 nm; 0=0,843 nm; d= 6,7 nm; p=12b°20"; gustoća 6,72 g/cm3. UF 4 je stabilan, neaktivan, nehlapljiv spoj, slabo topiv u vodi. Najbolje otapalo za UF 4 je dimeća perklorna kiselina HC10 4. Otapa se u oksidirajućim kiselinama i stvara uranilna sol; brzo se otapa u vrućoj otopini Al(N0 3) 3 ili AlC1 3, kao iu otopini borne kiseline zakiseljene s H 2 S0 4, HC10 4 ili HC1 na primjer, Fe3 +, Al3 + ili borna kiselina, također pridonose otapanju UF 4. S fluoridima drugih metala stvara niz slabo topljivih dvostrukih soli (MeUFe, Me 2 UF6, Me 3 UF 7 itd. NH 4 UF 5 je od industrijske važnosti).

U(IV) fluorid je međuprodukt u pripravku

i UF6 i metalni uran.

UF 4 se može dobiti reakcijama:

ili elektrolitičkom redukcijom uranil fluorida.

Uranov heksafluorid UFe - na sobnoj temperaturi kristali boje bjelokosti s visokim indeksom loma. Gustoća

5,09 g/cmz, gustoća tekućeg UFe - 3,63 g/cmz. Hlapljivi spoj. Tvoag = 5^>5°> Gil=b4,5° (pod pritiskom). Tlak zasićene pare doseže atmosferu na 560°. Entalpija stvaranja AH° 29 8 = -211b kJ/mol. Kristalna struktura je ortorombska (prostorna grupa. Rpt; 0=0,999 nm; fe= 0,8962 nm; c=0,5207 nm; d 5,060 nm (25 0). MPC - 0,015 mg/m3. Iz čvrstog stanja UF6 može sublimirati (sublimirati) u plin, zaobilazeći tekuću fazu u širokom rasponu tlakova. Toplina sublimacije na 50 0 50 kJ/mg. Molekula nema dipolni moment pa UF6 ne asocira. UFr para je idealan plin.

Dobiva se djelovanjem fluora na njegov U spoj:

Osim reakcija u plinovitoj fazi, postoje i reakcije u tekućoj fazi

proizvodnja UF6 pomoću halofluorida, na primjer

Postoji način dobivanja UF6 bez upotrebe fluora - oksidacijom UF4:

UFe ne reagira sa suhim zrakom, kisikom, dušikom i C0 2, ali u dodiru s vodom, čak i u tragovima vode, dolazi do hidrolize:

U interakciji je s većinom metala, stvarajući njihove fluoride, što komplicira metode njegovog skladištenja. Prikladni materijali posude za rad s UF6 su: kada se zagrije, Ni, Monel i Pt, na hladnom - također teflon, apsolutno suhi kvarc i staklo, bakar i aluminij. Pri temperaturama od 25-0°C stvara kompleksne spojeve s fluoridima alkalnih metala i srebrom tipa 3NaFUFr>, 3KF2UF6.

Dobro se otapa u raznim organskim tekućinama, anorganskim kiselinama i svim halofluoridima. Inertan na suho 0 2, N 2, C0 2, C1 2, Br 2. UFr karakteriziraju reakcije redukcije s većinom čistih metala. S ugljikovodicima i dr organske tvari UF6 reagira snažno, tako da zatvoreni spremnici koji sadrže UFe mogu eksplodirati. UF6 u području od 25 -r100° stvara kompleksne soli s fluoridima alkalijskih i drugih metala. Ovo se svojstvo koristi u tehnologiji selektivne ekstrakcije UF

Uranovi hidridi UH 2 i UH 3 zauzimaju srednji položaj između hidrida sličnih soli i hidrida tipa čvrstih otopina vodika u metalu.

Kada uran reagira s dušikom, nastaju nitridi. U U-N sustav poznate su četiri faze: UN (uran nitrid), a-U 2 N 3 (seskvinitrid), p- U 2 N 3 i UN If90. Nije moguće postići sastav UN 2 (dinitrid). Sinteze uran mononitrida UN pouzdane su i dobro kontrolirane, a najbolje ih je provoditi izravno iz elemenata. Uranovi nitridi su praškaste tvari, čija boja varira od tamno sive do sive; izgledati kao metal. UN ima kubičnu kristalnu strukturu usmjerenu na površinu, poput NaCl (0 = 4,8892 A); (/=14,324, 7^=2855°, stabilan u vakuumu do 1700 0. Dobiva se reakcijom U ili U hidrida s N2 ili NH 3, razgradnjom viših U nitrida na 1300° ili njihovom redukcijom metalnim uranom. U 2 N 3 poznat je u dvije polimorfne modifikacije: kubična a i heksagonalna p (0 = 0,3688 nm, 6 = 0,5839 nm), oslobađa N 2 u vakuumu iznad 8oo°. Dobiva se redukcijom UN 2 vodikom. UN2 dinitrid se sintetizira reakcijom U s N2 pod visokim tlakom N2. Uranovi nitridi su lako topljivi u kiselinama i otopinama lužina, ali se rastaljenim lužinama razgrađuju.

Uranov nitrid dobiva se dvostupanjskom karbotermskom redukcijom uranovog oksida:

Grijanje u argonu na 7M450 0 10 x 20 sati

Uranov nitrid sastava bliskog dinitridu, UN 2, može se dobiti izlaganjem UF 4 amonijaku pri visokoj temperaturi i tlaku.

Uran dinitrid se zagrijavanjem raspada:

Uranov nitrid, obogaćen na 235 U, ima veću fisijsku gustoću, toplinsku vodljivost i točku taljenja od uranovih oksida - tradicionalnog goriva modernih energetskih reaktora. Također ima dobra mehanička svojstva i stabilnost koja je bolja od tradicionalnih goriva. Stoga se ovaj spoj smatra obećavajućom osnovom za nuklearno gorivo u reaktorima na brzim neutronima (nuklearni reaktori generacije IV).

Komentar. Vrlo je korisno obogatiti UN s '5N, jer .4 N nastoji uhvatiti neutrone, generirajući radioaktivni izotop 14 C kroz (n,p) reakciju.

Uran karbid UC 2 (?-faza) - svijetlo siva s metalnim sjajem kristalna tvar. U U-C sustav(uran karbidi) postoje UC 2 (?-faza), UC 2 (b 2-faza), U 2 C 3 (e-faza), UC (b 2-faza) - uran karbidi. Uran dikarbid UC 2 može se dobiti reakcijama:

U + 2C^UC 2 (54v)

Uranovi karbidi se koriste kao gorivo za nuklearne reaktore;

Uranil nitrat, uranil nitrat, U0 2 (N0 3) 2 -6H 2 0. Ulogu metala u ovoj soli ima uranil 2+ kation. Žuti kristali zelenkaste nijanse, lako topljivi u vodi. Vodena otopina je kisela. Topljiv u etanolu, acetonu i eteru, netopljiv u benzenu, toluenu i kloroformu. Zagrijavanjem se kristali tope i oslobađaju HN0 3 i H 2 0. Kristalin hidrat lako isparava na zraku. Karakteristična je reakcija da pod djelovanjem NH 3 nastaje žuti talog amonij urana.

Uran je sposoban tvoriti metal-organske spojeve. Primjeri su ciklopentadienil derivati ​​sastava U(C5H5)4 i njihovi halogeni supstituirani u(C5H5)3G ili u(C5H5)2G2.

U vodene otopine uran je najstabilniji u oksidacijskom stanju U(VI) u obliku uranilnog iona U0 2 2+. U manjoj mjeri karakteriziran je U(IV) stanjem, ali se može javiti i u U(III) obliku. Oksidacijsko stanje U(V) može postojati kao ion IO2+, ali se ovo stanje rijetko opaža zbog njegove sklonosti disproporcioniranju i hidrolizi.

U neutralnim i kiselim otopinama U(VI) postoji u obliku U0 2 2+ - žutog uranilnog iona. Dobro topljive soli uranila uključuju nitrat U0 2 (N0 3) 2, sulfat U0 2 S0 4, klorid U0 2 C1 2, fluorid U0 2 F 2, acetat U0 2 (CH 3 C00) 2. Te se soli oslobađaju iz otopina u obliku kristalnih hidrata s različitim brojem molekula vode. Slabo topljive soli uranila su: oksalat U0 2 C 2 0 4, fosfati U0 2 HP0., i UO2P2O4, amonijev uranil fosfat UO2NH4PO4, natrijev uranil vanadat NaU0 2 V0 4, ferocijanid (U0 2) 2. Uranilni ion karakterizira sklonost stvaranju kompleksni spojevi. Tako su poznati kompleksi s ionima fluora tipa -, 4-; nitratni kompleksi i 2 *; kompleksi sumporne kiseline 2 " i 4-; karbonatni kompleksi 4 " i 2 " itd. Pri djelovanju lužina na otopine uranilnih soli oslobađaju se teško topljivi precipitati diuranata tipa Me 2 U 2 0 7 (monouranati Me 2 U0 4 ne izoliraju se iz otopina, dobivaju se fuzijom uranovih oksida s alkalijama. Poznati su poliuranati Me 2 U n 0 3 n+i (npr. Na 2 U60i 9).

U(VI) se u kiselim otopinama reducira do U(IV) željezom, cinkom, aluminijem, natrijevim hidrosulfitom i natrijevim amalgamom. Otopine su obojene zelenom bojom. Alkalije iz njih talože hidroksid U0 2 (0H) 2, fluorovodična kiselina - fluorid UF 4 -2,5H 2 0, oksalna kiselina - oksalat U(C 2 0 4) 2 -6H 2 0. Ion U 4+ ima tendenciju da tvore komplekse manje od iona uranila.

Uran (IV) u otopini je u obliku U 4+ iona, koji su visoko hidrolizirani i hidratizirani:

U kiselim otopinama hidroliza je potisnuta.

Uran (VI) u otopini tvori uranil oksokation - U0 2 2+ Poznati su brojni uranil spojevi, primjeri za koje su: U0 3, U0 2 (C 2 H 3 0 2) 2, U0 2 C0 3 -2(NH 4 ) 2 C0 3 U0 2 C0 3, U0 2 C1 2, U0 2 (0H) 2, U0 2 (NO 3) 2, UO0SO4, ZnU0 2 (CH 3 C00) 4, itd.

Hidrolizom uranilnog iona nastaju brojni multinuklearni kompleksi:

Daljnjom hidrolizom pojavljuje se U 3 0s(0H) 2, a zatim U 3 0 8 (0H) 4 2 -.

Za kvalitativnu detekciju urana koriste se metode kemijske, luminiscentne, radiometrijske i spektralne analize. Kemijske metode uglavnom na temelju stvaranja obojenih spojeva (na primjer, crveno-smeđa boja spoja s ferocijanidom, žuta s vodikovim peroksidom, plava s arsenazo reagensom). Luminescentna metoda temelji se na sposobnosti mnogih spojeva urana da proizvode žućkasto-zelenkasti sjaj kada su izloženi UV zrakama.

Kvantitativno određivanje urana provodi se različitim metodama. Najvažnije od njih su: volumetrijske metode, koje se sastoje od redukcije U(VI) u U(IV) praćene titracijom otopinama oksidirajućih sredstava; gravimetrijske metode - taloženje uranata, peroksida, U(IV) kupferanata, hidroksikinolata, oksalata i dr. nakon čega slijedi kalcinacija na 00° i vaganje U 3 0 s; polarografske metode u otopini nitrata omogućuju određivanje 10*7-g10-9 g urana; brojne kolorimetrijske metode (npr. s H 2 0 2 u alkalnom mediju, s arsenazo reagensom u prisutnosti EDTA, s dibenzoilmetanom, u obliku tiocijanatnog kompleksa itd.); luminiscentna metoda, koja omogućuje određivanje kada je spojen s NaF na Yu 11 g urana.

235U pripada skupini opasnosti od zračenja A, minimalna značajna aktivnost je MZA = 3,7-10 4 Bq, 2 3 8 i - skupini D, MZA = 3,7-6 Bq (300 g).

URAN (nazvan po planetu Uranu otkrivenom malo prije; lat. uranium * a. uranium; n. Uran; f. uranium; i. uranio), U, je radioaktivni kemijski element III. skupine periodnog sustava elemenata. Mendeljejev, atomski broj 92, atomska masa 238.0289, pripada aktinoidima. Prirodni uran sastoji se od mješavine triju izotopa: 238 U (99,282%, T 1/2 4.468,10 9 godina), 235 U (0,712%, T 1/2 0,704,10 9 godina), 234 U (0,006%, T 1 /2 0.244.10 6 godina). Poznato je i 11 umjetnih radioaktivnih izotopa urana s masenim brojevima od 227 do 240. 238 U i 235 U su utemeljitelji dva niza prirodnih raspada, uslijed čega prelaze u stabilne izotope 206 Pb, odnosno 207 Pb.

Uran je 1789. godine u obliku UO 2 otkrio njemački kemičar M. G. Klaproth. Metalni uran dobio je 1841. godine francuski kemičar E. Peligot. Dugo vremena uran je imao vrlo ograničenu primjenu, a tek otkrićem radioaktivnosti 1896. počinje njegovo proučavanje i uporaba.

Svojstva urana

U slobodnom stanju uran je svijetlosivi metal; ispod 667,7°C karakterizira ga ortorombska (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) kristalna rešetka (a-modifikacija), u temperaturnom području 667,7-774°C - tetragonalna (a = 1,0759 nm) , c = 0,5656 nm; G-modifikacija), na višoj temperaturi - tjelesno centrirana kubična rešetka (a = 0,3538 nm, g-modifikacija). Gustoća 18700 kg/m 3, talište 1135°C, vrelište oko 3818°C, molarni toplinski kapacitet 27,66 J/(mol.K), specifična električni otpor 29.0.10 -4 (Ohm.m), toplinska vodljivost 22,5 W/(m.K), temperaturni koeficijent linearnog širenja 10.7.10 -6 K -1. Temperatura prijelaza urana u supravodljivo stanje je 0,68 K; slab paramagnetik, specifičan magnetska osjetljivost 1.72.10 -6. Jezgre 235 U i 233 U fisiraju spontano, kao i pri hvatanju sporih i brzih neutrona, 238 U fisiraju samo pri hvatanju brzih (više od 1 MeV) neutrona. Kada se uhvate spori neutroni, 238 U se pretvara u 239 Pu. Kritična masa urana (93,5% 235U) u vodenim otopinama je manja od 1 kg, za otvorenu kuglu je oko 50 kg; za 233 U kritična masa je otprilike 1/3 kritične mase 235 U.

Odgoj i držanje u prirodi

Glavni potrošač urana je nuklearna energija (nuklearni reaktori, nuklearne elektrane). Osim toga, uran se koristi za proizvodnju nuklearnog oružja. Sva ostala područja uporabe urana su od strogo podređenog značaja.

Uran (U) je element s atomskim brojem 92 i atomskom težinom 238,029. To je radioaktivni kemijski element III grupe periodnog sustava Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva, pripada obitelji aktinoida. Uran je vrlo težak (2,5 puta teži od željeza, više od 1,5 puta teži od olova), srebrnobijeli, sjajni metal. U svom čistom obliku, nešto je mekši od čelika, savitljiv, savitljiv i ima mala paramagnetska svojstva.

Prirodni uran sastoji se od mješavine triju izotopa: 238U (99,274%) s vremenom poluraspada od 4,51∙109 godina; 235U (0,702%) s vremenom poluraspada od 7,13∙108 godina; 234U (0,006%) s vremenom poluraspada od 2,48∙105 godina. Potonji izotop nije primarni, već je radiogeni dio serije radioaktivnog 238U. Izotopi urana 238U i 235U su preci dviju radioaktivnih serija. Posljednji elementi ovih serija su izotopi olova 206Pb i 207Pb.

Trenutno su poznata 23 umjetna radioaktivna izotopa urana s masenim brojevima od 217 do 242. Među njima je “dugovječni” 233U s vremenom poluraspada od 1,62∙105 godina. Dobiva se kao rezultat neutronskog zračenja torija i sposoban je za fisiju pod utjecajem toplinskih neutrona.

Uran je 1789. godine otkrio njemački kemičar Martin Heinrich Klaproth kao rezultat svojih eksperimenata s mineralom smola - "uran smola". Novi element nazvan je u čast planeta Urana, koji je nedavno (1781.) otkrio William Herschel. Sljedećih pola stoljeća tvar koju je dobio Klaproth smatrala se metalom, ali 1841. godine to je opovrgao francuski kemičar Eugene Melchior Peligo, koji je dokazao oksidnu prirodu urana (UO2), koji je dobio njemački kemičar. Sam Peligo uspio je dobiti metalni uran redukcijom UCl4 s metalnim kalijem, a također je odredio i atomsku težinu novog elementa. Sljedeći u razvoju znanja o uranu i njegovim svojstvima bio je D. I. Mendeljejev - 1874. godine, na temelju teorije koju je razvio o periodizaciji kemijskih elemenata, smjestio je uran u najdalju ćeliju svoje tablice. Ruski kemičar udvostručio je atomsku težinu urana (120), koju je prethodno odredio Peligo, a ispravnost takvih pretpostavki potvrđena je dvanaest godina kasnije pokusima njemačkog kemičara Zimmermanna.

Dugi niz desetljeća uran je bio od interesa samo za uski krug kemičara i prirodnih znanstvenika; njegova upotreba je također bila ograničena - proizvodnja stakla i boja. Tek otkrićem radioaktivnosti ovog metala (1896. Henri Becquerel) započela je 1898. industrijska prerada uranovih ruda. Mnogo kasnije (1939.) otkriven je fenomen nuklearne fisije, a od 1942. uran postaje glavno nuklearno gorivo.

Najvažnije svojstvo urana je da su jezgre nekih njegovih izotopa sposobne fisije pri hvatanju neutrona; kao rezultat tog procesa oslobađa se ogromna količina energije. Ovo svojstvo elementa br. 92 koristi se u nuklearnim reaktorima, koji služe kao izvori energije, a također je u osnovi djelovanja atomska bomba. Uran se koristi u geologiji za određivanje starosti minerala i stijene kako bi se odredio redoslijed pojavljivanja geološkim procesima(geokronologija). Zbog činjenice da stijene sadrže različite koncentracije urana, imaju različitu radioaktivnost. Ovo se svojstvo koristi pri identificiranju stijena pomoću geofizičkih metoda. Ova metoda se najviše koristi u naftnoj geologiji pri geofizičkim istraživanjima bušotina. Spojevi urana korišteni su kao boje za slikanje na porculanu te za keramičke glazure i emajle (bojene u bojama: žuta, smeđa, zelena i crna, ovisno o stupnju oksidacije), npr. natrijev uranat Na2U2O7 korišten je kao žuti pigment u slika.

Biološka svojstva

Uran je prilično čest element u biološkom okolišu; koncentratorima ovog metala smatraju se neke vrste gljiva i algi, koje su uključene u lanac biološkog ciklusa urana u prirodi prema shemi: voda - vodene biljke - ribe. - ljudi. Tako s hranom i vodom uran ulazi u tijelo ljudi i životinja, odnosno u gastrointestinalni trakt, gdje se apsorbira oko postotak ulaznih lako topivih spojeva i ne više od 0,1% teško topivih spojeva. Ovaj element ulazi u dišne ​​putove i pluća, kao iu sluznice i kožu sa zrakom. U dišnim putovima, a posebno plućima, apsorpcija se odvija mnogo intenzivnije: lako topljivi spojevi apsorbiraju se 50%, a teško topljivi 20%. Tako se uran nalazi u malim količinama (10-5 - 10-8%) u životinjskim i ljudskim tkivima. U biljkama (u suhom ostatku) koncentracija urana ovisi o njegovom sadržaju u tlu, pa pri koncentraciji u tlu od 10-4% biljka sadrži 1,5∙10-5% ili manje. Raspodjela urana među tkivima i organima je neravnomjerna, glavna mjesta nakupljanja su koštano tkivo (kostur), jetra, slezena, bubrezi, kao i pluća i bronhopulmonalni limfni čvorovi (kada slabo topljivi spojevi dospijevaju u pluća). Uran (karbonati i kompleksi s proteinima) se vrlo brzo uklanja iz krvi. U prosjeku, sadržaj 92. elementa u organima i tkivima životinja i ljudi iznosi 10-7%. Na primjer, krv goveda sadrži 1∙10-8 g/ml urana, a ljudska krv sadrži 4∙10-10 g/g. Jetra goveda sadrži 8∙10-8 g/g, kod čovjeka u istom organu 6∙10-9 g/g; slezena goveda sadrži 9∙10-8 g/g, kod ljudi - 4,7∙10-7 g/g. U mišićnom tkivu goveda nakuplja se do 4∙10-11 g/g. Osim toga, u ljudskom tijelu uran je sadržan u plućima u rasponu od 6∙10-9 - 9∙10-9 g/g; u bubrezima 5,3∙10-9 g/g (kortikalni sloj) i 1,3∙10-8 g/g (medularni sloj); V koštano tkivo 1∙10-9 g/g; u koštanoj srži 1∙10-8 g/g; u kosi 1,3∙10-7 g/g. Uran koji se nalazi u kostima uzrokuje stalno zračenje koštanog tkiva (razdoblje potpunog uklanjanja urana iz kostura je 600 dana). Najmanje ovog metala ima u mozgu i srcu (oko 10-10 g/g). Kao što je ranije spomenuto, glavni načini na koje uran ulazi u tijelo su voda, hrana i zrak. Dnevna doza metala koja ulazi u tijelo s hranom i tekućinom je 1,9∙10-6 g, sa zrakom - 7∙10-9 g. Međutim, svaki dan uran se izlučuje iz tijela: s urinom od 0,5∙10-7 g. do 5∙10-7 g; s izmetom od 1,4∙10-6 g do 1,8∙10-6 g. Gubici s kosom, noktima i mrtvim ljuskama kože - 2∙10-8 g.

Znanstvenici sugeriraju da je uran u malim količinama neophodan za normalno funkcioniranje ljudskog tijela, životinja i biljaka. Međutim, njegova uloga u fiziologiji još nije razjašnjena. Utvrđeno je da je prosječni sadržaj elementa 92 u ljudskom tijelu oko 9∙10-5 g (Međunarodna komisija za zaštitu od zračenja). Istina, ova brojka donekle varira za različite regije i teritorije.

Unatoč svojoj još nepoznatoj, ali definitivnoj biološku ulogu u živim organizmima uran ostaje jedan od najopasnijih elemenata. Prije svega, to se očituje u toksičnom učinku ovog metala, koji je posljedica njegovog kemijska svojstva, posebno o topljivosti spojeva. Na primjer, topljivi spojevi (uranil i drugi) su toksičniji. Najčešće se trovanje uranom i njegovim spojevima događa u tvornicama za obogaćivanje, poduzećima za vađenje i preradu uranovih sirovina i drugim proizvodnim pogonima u kojima je uran uključen u tehnološke procese.

Prodirući u tijelo, uran utječe na apsolutno sve organe i njihova tkiva, jer se djelovanje događa na staničnoj razini: potiskuje aktivnost enzima. Prvenstveno su pogođeni bubrezi, što se očituje naglim povećanjem šećera i bjelančevina u mokraći, nakon čega se razvija oligurija. Zahvaćeni su gastrointestinalni trakt i jetra. Otrovanje uranom dijelimo na akutno i kronično, a potonje se razvija postupno i može biti asimptomatsko ili s blagim simptomima. Međutim, naknadno kronično trovanje dovodi do hematopoetskih poremećaja, živčani sustav i druge ozbiljne zdravstvene probleme.

Tona granitne stijene sadrži otprilike 25 grama urana. Energija koja se može osloboditi izgaranjem tih 25 grama u reaktoru usporediva je s energijom koja se oslobađa izgaranjem 125 tona ugljena u ložištima moćnih termokotlova! Na temelju ovih podataka može se pretpostaviti da će se granit u bliskoj budućnosti smatrati jednom od vrsta mineralnog goriva. Ukupno, relativno tanak dvadesetkilometarski površinski sloj zemljine kore sadrži otprilike 1014 tona urana; kada se pretvori u energetski ekvivalent, rezultat je jednostavno kolosalna brojka - 2,36,1024 kilovat-sata. Čak ni sva razvijena, istražena i predložena nalazišta fosilnih goriva zajedno ne mogu osigurati ni milijunti dio te energije!

Poznato je da se legure urana podvrgnute toplinskoj obradi odlikuju visokim granicama tečenja, puzanjem i povećanim otpornost na koroziju, manja sklonost mijenjanju oblika proizvoda zbog temperaturnih fluktuacija i pod utjecajem zračenja. Na temelju tih načela početkom 20. stoljeća pa sve do tridesetih godina uran u obliku karbida koristio se u proizvodnji alatnih čelika. Osim toga, korišten je za zamjenu volframa u nekim legurama, što je bilo jeftinije i pristupačnije. U proizvodnji ferouranija udio urana iznosio je do 30%. Istina, u drugoj trećini 20. stoljeća takva je uporaba urana prestala.

Kao što je poznato, u dubinama naše Zemlje postoji stalni proces raspadanja izotopa urne. Dakle, znanstvenici su izračunali da bi trenutno oslobađanje energije iz cijele mase ovog metala zatvorenog u zemljinoj ljusci zagrijalo naš planet na temperaturu od nekoliko tisuća stupnjeva! No, takav je fenomen, srećom, nemoguć - uostalom, oslobađanje topline događa se postupno kako jezgre urana i njegovih derivata prolaze kroz niz dugotrajnih radioaktivnih transformacija. O trajanju takvih transformacija može se procijeniti poluživotom prirodnih izotopa urana, na primjer, za 235U je 7108 godina, a za 238U - 4,51109 godina. Međutim, toplina urana značajno zagrijava Zemlju. Kad bi cijela masa Zemlje sadržavala istu količinu urana kao u gornjem sloju od dvadeset kilometara, tada bi temperatura na planetu bila mnogo viša nego što je sada. Međutim, kako se krećete prema središtu Zemlje, koncentracija urana se smanjuje.

U nuklearnim reaktorima obrađuje se samo mali dio napunjenog urana, to je zbog troske goriva fisijskim produktima: 235U izgara, lančana reakcija postupno odumire. Međutim, gorivne šipke još uvijek su napunjene nuklearnim gorivom koje se mora ponovno potrošiti. Da bi se to postiglo, stari gorivi elementi se rastavljaju i šalju na recikliranje - otapaju se u kiselinama, a uran se ekstrahira iz dobivene otopine; fisijski fragmenti koje je potrebno zbrinuti ostaju u otopini. Tako ispada da je industrija urana praktički kemijska proizvodnja bez otpada!

Postrojenja za odvajanje izotopa urana zauzimaju površinu od nekoliko desetaka hektara, a približno je tolika i površina poroznih pregrada u separacijskim kaskadama postrojenja. To je zbog složenosti difuzijske metode odvajanja izotopa urana – uostalom, da bi se povećala koncentracija 235U s 0,72 na 99%, potrebno je nekoliko tisuća difuzijskih koraka!

Koristeći uran-olovnu metodu, geolozi su uspjeli saznati starost najstarijih minerala; proučavajući meteoritsko kamenje, mogli su odrediti približan datum rođenja našeg planeta. Zahvaljujući "uranskom satu" određena je starost Mjesečevog tla. Zanimljivo, pokazalo se da 3 milijarde godina nije bilo vulkanske aktivnosti na Mjesecu i prirodni satelit Zemlja ostaje pasivno tijelo. Uostalom, čak su i najmlađi komadići mjesečeve tvari živjeli dulje od starosti najstarijih zemaljskih minerala.

Priča

Upotreba urana seže jako dugo - još u 1. stoljeću prije Krista prirodni uranov oksid korišten je za izradu žute glazure koja se koristi za bojanje keramike.

U moderno doba proučavanje urana odvijalo se postupno – u nekoliko faza, uz kontinuirani rast. Početak je bilo otkriće ovog elementa 1789. godine od strane njemačkog prirodnog filozofa i kemičara Martina Heinricha Klaprotha, koji je reducirao zlatnožutu “zemlju” iskopanu iz rude saksonske smole (“uran pitch”) u tvar sličnu crnom metalu (uran oksid - UO2). Ime je dano u čast najudaljenijeg planeta poznatog u to vrijeme - Urana, kojeg je pak 1781. otkrio William Herschel. U ovom trenutku završava prva faza u proučavanju novog elementa (Klaproth je bio uvjeren da je otkrio novi metal) i dolazi do pauze od više od pedeset godina.

Godina 1840. može se smatrati početkom nove prekretnice u povijesti istraživanja urana. Od ove se godine mladi kemičar iz Francuske, Eugene Melchior Peligo (1811.-1890.), zauzeo problemom dobivanja metalnog urana; uskoro (1841.) uspio je - metalni uran dobiven je redukcijom UCl4 s metalnim kalijem. Osim toga, dokazao je da je uran koji je otkrio Klaproth zapravo samo njegov oksid. Francuz je odredio i procijenjenu atomsku težinu novog elementa - 120. Zatim je opet došlo do dugog prekida u proučavanju svojstava urana.

Tek 1874. pojavile su se nove pretpostavke o prirodi urana: Dmitrij Ivanovič Mendeljejev, slijedeći teoriju koju je razvio o periodizaciji kemijskih elemenata, pronalazi mjesto za novi metal u svojoj tablici, stavljajući uran u posljednju ćeliju. Osim toga, Mendeljejev je udvostručio prethodno pretpostavljenu atomsku težinu urana, a da ni u tome nije pogriješio, što su potvrdili i pokusi njemačkog kemičara Zimmermanna 12 godina kasnije.

Od 1896. otkrića na polju proučavanja svojstava urana “padala” su jedno za drugim: spomenute godine, sasvim slučajno (proučavajući fosforescenciju kristala kalijevog uranil sulfata), 43-godišnji fizičar profesor Antoine Henri Becquerel otkriva “Becquerelove zrake”, koje je Marie Curie kasnije preimenovala u radioaktivnost. Iste godine, Henri Moissan (opet kemičar iz Francuske) razvija metodu za proizvodnju čistog metalnog urana.

Godine 1899. Ernest Rutherford otkrio je heterogenost zračenja iz pripravaka urana. Pokazalo se da postoje dvije vrste zračenja - alfa i beta zrake, različite po svojim svojstvima: nose različite električno punjenje, imaju različite duljine puta u tvari i njihova ionizirajuća sposobnost je također različita. Godinu dana kasnije, gama zrake je otkrio i Paul Villar.

Ernest Rutherford i Frederick Soddy zajednički su razvili teoriju o radioaktivnosti urana. Na temelju te teorije Rutherford je 1907. poduzeo prve pokuse za određivanje starosti minerala proučavajući radioaktivni uran i torij. Godine 1913. F. Soddy uveo je pojam izotopa (od starogrčkog iso - "jednak", "identičan" i topos - "mjesto"). Godine 1920. isti je znanstvenik predložio da se izotopi mogu koristiti za određivanje geološke starosti stijena. Njegove su se pretpostavke pokazale točnima: 1939. Alfred Otto Karl Nier napravio je prve jednadžbe za izračunavanje starosti i upotrijebio spektrometar mase za odvajanje izotopa.

Godine 1934. Enrico Fermi proveo je niz eksperimenata bombardiranja kemijskih elemenata neutronima – česticama koje je otkrio J. Chadwick 1932. godine. Kao rezultat ove operacije, u uranu su se pojavile dosad nepoznate radioaktivne tvari. Fermi i drugi znanstvenici koji su sudjelovali u njegovim eksperimentima sugerirali su da su otkrili transuranijeve elemente. Četiri godine su se pokušavali detektirati transuranijevi elementi među produktima neutronskog bombardiranja. Sve je završilo 1938. kada su njemački kemičari Otto Hahn i Fritz Strassmann ustanovili da se hvatanjem slobodnog neutrona jezgra uranovog izotopa 235U cijepa, oslobađajući (po jednoj uranovoj jezgri) prilično veliku količinu energije, uglavnom zbog kinetička energija fragmenata i zračenja. Njemački kemičari nisu uspjeli dalje napredovati. Lise Meitner i Otto Frisch uspjeli su potkrijepiti svoju teoriju. Ovo je otkriće bilo početak korištenja unutaratomske energije u miroljubive i vojne svrhe.

Biti u prirodi

Prosječni sadržaj urana u zemljinoj kori (clarke) je 3∙10-4% mase, što znači da ga u utrobi zemlje ima više od srebra, žive i bizmuta. Uran je karakterističan element za granitni sloj i sedimentni omotač zemljine kore. Dakle, u toni granita nalazi se oko 25 grama elementa broj 92. Ukupno, više od 1000 tona urana sadržano je u relativno tankom, dvadesetak kilometara gornjem sloju Zemlje. U kiselim magmatskim stijenama 3,5∙10-4%, u glinama i škriljevcima 3,2∙10-4%, posebno obogaćenim organskom tvari, u bazičnim stijenama 5∙10-5%, u ultrabazičnim stijenama plašta 3∙10-7% .

Uran snažno migrira u hladnom i toplom, neutralnom i alkalne vode u obliku jednostavnih i složenih iona, osobito u obliku karbonatnih kompleksa. Redoks reakcije igraju važnu ulogu u geokemiji urana, a sve zbog toga što su spojevi urana, u pravilu, visoko topljivi u vodama s oksidirajućim okolišem i slabo topljivi u vodama s redukcijskim okolišem (sumporovodik).

Poznato je više od stotinu mineralnih ruda urana, koje se razlikuju kemijski sastav, podrijetlo, koncentracija urana, od cijele raznolikosti, samo desetak je od praktičnog interesa. Glavnim predstavnicima urana, koji imaju najveću industrijsku važnost, u prirodi se mogu smatrati oksidi - uraninit i njegove vrste (smola i uranova crna), kao i silikati - kofinit, titanati - davidit i brannerit; hidrofosfati i uranil arsenati – uranov liskun.

Uraninit - UO2 prisutan je pretežno u drevnim - prekambrijskim stijenama u obliku čistih kristalnih oblika. Uraninit tvori izomorfne nizove s torijanitom ThO2 i itrocerijanitom (Y,Ce)O2. Osim toga, svi uraniniti sadrže produkte radiogenog raspada urana i torija: K, Po, He, Ac, Pb, kao i Ca i Zn. Sam uraninit je visokotemperaturni mineral, karakterističan za granitne i sijenitne pegmatite u asocijaciji s kompleksnim niobat-tantal-titanatima urana (kolumbit, piroklor, samarskit i drugi), cirkona, monacita. Osim toga, uraninit se pojavljuje u hidrotermalnim, skarn i sedimentnim stijenama. Poznata su velika nalazišta uraninita u Kanadi, Africi, Sjedinjenim Američkim Državama, Francuskoj i Australiji.

Smola (U3O8), poznata i kao uranov katran ili smolasta mješavina, koja tvori kriptokristalne kolomorfne agregate - vulkanski i hidrotermalni mineral, zastupljena je u paleozoiku i mlađim visoko- i srednjetemperaturnim formacijama. Stalni sateliti smoline su sulfidi, arsenidi, prirodni bizmut, arsen i srebro, karbonati i neki drugi elementi. Ove rude su vrlo bogate uranom, ali su izuzetno rijetke, često praćene radijem, to se lako objašnjava: radij je izravan proizvod izotopskog raspada urana.

Uranove crnile (rahli zemljani agregati) zastupljene su uglavnom u mladim - kenozoičkim i mlađim formacijama, karakterističnim za hidrotermalne sulfid-uranove i sedimentne naslage.

Uran se također ekstrahira kao nusproizvod iz ruda koje sadrže manje od 0,1%, na primjer, iz konglomerata koji sadrže zlato.

Glavna nalazišta uranovih ruda nalaze se u SAD-u (Colorado, Sjeverna i Južna Dakota), Kanadi (provincije Ontario i Saskatchewan), Južnoj Africi (Witwatersrand), Francuskoj (Središnji masiv), Australiji (Sjeverni teritorij) i mnogim drugim zemljama . U Rusiji je glavna regija rude urana Transbaikalija. Oko 93% ruskog urana iskopava se na nalazištu u regiji Chita (u blizini grada Krasnokamensk).

Primjena

Moderna nuklearna energija jednostavno je nezamisliva bez elementa br. 92 i njegovih svojstava. Iako ne tako davno - prije puštanja u rad prvog nuklearnog reaktora, rude urana iskopavale su se uglavnom kako bi se iz njih izvukao radij. Male količine spojeva urana korištene su u nekim bojama i katalizatorima. Naime, uran se smatrao elementom koji nema gotovo nikakav industrijski značaj, a koliko se radikalno situacija promijenila nakon otkrića sposobnosti izotopa urana na fisiju! Ovaj metal odmah je dobio status strateške sirovine broj 1.

Danas je glavno područje primjene metalnog urana, kao i njegovih spojeva, gorivo za nuklearne reaktore. Tako se u stacionarnim reaktorima nuklearnih elektrana koristi nisko obogaćena (prirodna) smjesa izotopa urana, a u energetskim nuklearnim postrojenjima i reaktorima na brze neutrone koristi se uran visoki stupanj obogaćivanje.

Najviše se koristi izotop urana 235U, jer je u njemu moguća samoodrživa nuklearna lančana reakcija, što nije tipično za druge izotope urana. Zahvaljujući tom svojstvu, 235U se koristi kao gorivo u nuklearnim reaktorima, kao i u nuklearnom oružju. Međutim, izdvajanje izotopa 235U iz prirodnog urana složen je i skup tehnološki problem.

Najčešći izotop urana u prirodi, 238U, može fisirati kada je bombardiran neutronima visoke energije. Ovo svojstvo ovog izotopa koristi se za povećanje snage termonuklearnog oružja - koriste se neutroni nastali termonuklearnom reakcijom. Osim toga, plutonijev izotop 239Pu dobiva se iz izotopa 238U, koji se također može koristiti u nuklearnim reaktorima iu atomskoj bombi.

U U zadnje vrijeme Izotop urana 233U, umjetno proizveden u reaktorima iz torija, naširoko se koristi, dobiva se ozračivanjem torija u neutronskom toku nuklearnog reaktora;

23290Th + 10n → 23390Th -(β–)→ 23391Pa –(β–)→ 23392U

233U fisijski toplinski neutroni; osim toga, u reaktorima s 233U može doći do proširene reprodukcije nuklearnog goriva. Dakle, kada kilogram 233U izgori u torijevom reaktoru, u njemu bi se trebalo nakupiti 1,1 kg novog 233U (kao rezultat hvatanja neutrona jezgrama torija). U bliskoj budućnosti, ciklus uran-torij u reaktorima s toplinskim neutronima bit će glavni konkurent ciklusu uran-plutonij za reprodukciju nuklearnog goriva u reaktorima s brzim neutronima. Reaktori koji koriste ovaj nuklid kao gorivo već postoje i rade (KAMINI u Indiji). 233U je također najperspektivnije gorivo za plinske nuklearne raketne motore.

Ostali umjetni izotopi urana ne igraju značajniju ulogu.

Nakon što se iz prirodnog urana ekstrahiraju “potrebni” izotopi 234U i 235U, preostala sirovina (238U) naziva se “osiromašeni uran”, upola je manje radioaktivan od prirodnog urana, uglavnom zbog uklanjanja 234U iz njega. Budući da je glavna upotreba urana proizvodnja energije, zbog toga je osiromašeni uran proizvod koji se malo koristi i ima malu ekonomsku vrijednost. Međutim, zbog svoje niske cijene, kao i visoke gustoće i iznimno velikog poprečnog presjeka hvatanja, koristi se za zaštitu od zračenja i kao balast u zrakoplovnim aplikacijama kao što su kontrolne površine zrakoplov. Osim toga, osiromašeni uran se koristi kao balast u svemirskim lenderima i trkaćim jahtama; u rotorima žiroskopa velike brzine, velikim zamašnjacima i pri bušenju naftnih bušotina.

Međutim, najpoznatija upotreba osiromašenog urana je u vojnim primjenama - kao jezgre za oklopne granate i moderne tenkovske oklope, poput tenka M-1 Abrams.

Manje poznate upotrebe urana uglavnom uključuju njegove spojeve. Dakle, mali dodatak urana daje prekrasnu žuto-zelenu fluorescenciju staklu, neki spojevi urana su fotoosjetljivi, zbog toga se uranil nitrat naširoko koristio za poboljšanje negativa i boje (toniranje) pozitiva (fotografskih ispisa) u smeđu boju.

Karbid 235U legiran niobij karbidom i cirkonijevim karbidom koristi se kao gorivo za nuklearne mlazne motore. Legure željeza i osiromašenog urana (238U) koriste se kao snažni magnetostrikcijski materijali. Natrijev uranat Na2U2O7 korišten je kao žuti pigment u slikarstvu, spojevi urana korišteni su kao boje za slikanje na porculanu i za keramičke glazure i emajle (bojene u bojama: žuta, smeđa, zelena i crna, ovisno o stupnju oksidacije) .

Proizvodnja

Uran se dobiva iz ruda urana, koje se značajno razlikuju u nizu karakteristika (uvjeti formiranja, "kontrast", sadržaj korisnih nečistoća itd.), Od kojih je glavni postotak urana. Prema ovom kriteriju razlikuje se pet vrsta ruda: vrlo bogate (sadrže preko 1% urana); bogat (1-0,5%); prosjek (0,5-0,25%); obični (0,25-0,1%) i siromašni (manje od 0,1%). Međutim, čak i iz ruda koje sadrže 0,01-0,015% urana, ovaj se metal ekstrahira kao nusprodukt.

Tijekom godina razvoja sirovina urana, razvijene su mnoge metode za izdvajanje urana iz ruda. To je zbog strateške važnosti urana u nekim područjima i raznolikosti njegovih prirodnih manifestacija. Međutim, unatoč svoj raznolikosti metoda i sirovina, svaka proizvodnja urana sastoji se od tri faze: preliminarna koncentracija uranove rude; ispiranje urana i dobivanje dovoljno čistih spojeva urana taloženjem, ekstrakcijom ili ionska izmjena. Zatim, ovisno o namjeni dobivenog urana, proizvod se obogaćuje izotopom 235U ili odmah reducira u elementarni uran.

Dakle, ruda se u početku koncentrira - stijena se drobi i puni vodom. U tom slučaju se teži elementi smjese brže talože. U stijenama koje sadrže primarne minerale urana dolazi do njihovog brzog taloženja jer su vrlo teške. Kada se rude koje sadrže sekundarne minerale urana koncentriraju, taloži se otpadna stijena koja je mnogo teža od sekundarnih minerala, ali može sadržavati vrlo korisne elemente.

Rude urana se gotovo nikada ne obogaćuju, s izuzetkom organske metode radiometrijskog razvrstavanja, koja se temelji na γ-zračenju radija, koje uvijek prati uran.

Sljedeća faza u proizvodnji urana je ispiranje, čime se uran pretvara u otopinu. Uglavnom se rude ispiraju otopinama sumporne, ponekad dušične kiseline ili otopinama sode uz prijelaz urana u kiselu otopinu u obliku UO2SO4 ili kompleksnih aniona, a u otopinu sode u obliku 4-kompleksnog aniona. Metoda koja koristi sumpornu kiselinu je jeftinija, ali nije uvijek primjenjiva ako sirovina sadrži četverovalentni uran (uranijeva smola), koji nije topiv u sumpornoj kiselini. U takvim slučajevima koristi se alkalno ispiranje ili se četverovalentni uran oksidira u šestovalentno stanje. Korištenje kaustične sode (kaustične sode) preporučljivo je kod ispiranja ruda koje sadrže magnezit ili dolomit, a za otapanje je potrebno previše kiseline.

Nakon faze ispiranja, otopina sadrži ne samo uran, već i druge elemente, koji se, kao i uran, ekstrahiraju istim organskim otapalima, talože na istim smolama ionske izmjene i talože pod istim uvjetima. U takvoj situaciji, da bi se selektivno izolirao uran, potrebno je koristiti mnoge redoks reakcije kako bi se neželjeni element eliminirao u različitim fazama. Jedna od prednosti ionske izmjene i metoda ekstrakcije je ta da se uran prilično potpuno ekstrahira iz loših otopina.

Nakon svih navedenih operacija uran se pretvara u čvrsto stanje - u jedan od oksida ili u UF4 tetrafluorid. Takav uran sadrži nečistoće s velikim presjekom hvatanja toplinskih neutrona - litij, bor, kadmij i metale rijetke zemlje. U konačnom proizvodu njihov sadržaj ne smije prelaziti stotisućinke i milijuntinke postotka! Da bi se to postiglo, uran se ponovno otapa, ovaj put u dušičnoj kiselini. Uranil nitrat UO2(NO3)2 tijekom ekstrakcije tributil fosfatom i nekim drugim tvarima dodatno se pročišćava do potrebnih standarda. Ta se tvar zatim kristalizira (ili istaloži) i pažljivo kalcinira. Kao rezultat ove operacije nastaje uranov trioksid UO3, koji se vodikom reducira u UO2. Na temperaturama od 430 do 600°C, uranov oksid reagira sa suhim fluorovodikom i pretvara se u UF4 tetrafluorid. Već iz ovog spoja obično se dobiva metalni uran uz pomoć kalcija ili magnezija običnom redukcijom.

Fizička svojstva

Metal uran je vrlo težak, dva i pol puta je teži od željeza, a jedan i pol puta teži od olova! Ovo je jedan od najtežih elemenata pohranjenih u utrobi Zemlje. Svojom srebrno-bijelom bojom i sjajem uran podsjeća na čelik. Čisti metal Plastičan je, mekan, ima visoku gustoću, ali se istovremeno lako obrađuje. Uran je elektropozitivan i ima manja paramagnetska svojstva - specifična magnetska osjetljivost na sobnoj temperaturi je 1,72·10 -6, ima nisku električnu vodljivost, ali visoku reaktivnost. Ovaj element ima tri alotropske modifikacije: α, β i γ. α-oblik ima ortorombsku kristalnu rešetku sa sljedećim parametrima: a = 2,8538 Å, b = 5,8662 Å, c = 469557 Å. Ovaj oblik je stabilan u temperaturnom području od sobne temperature do 667,7° C. Gustoća urana u α-formi na temperaturi od 25° C iznosi 19,05 ± 0,2 g/cm 3 . β-oblik ima tetragonalnu kristalnu rešetku, stabilnu u temperaturnom području od 667,7° C do 774,8° C. Parametri tetragonalne rešetke: a = 10,759 Å, b = 5,656 Å. γ-oblik s kubičnom strukturom u središtu tijela, stabilan od 774,8°C do tališta (1132°C).

Tijekom procesa oporabe urana mogu se vidjeti sve tri faze. Za to se koristi poseban uređaj, koji je bešavna čelična cijev, koja je obložena kalcijevim oksidom; to je neophodno kako čelik cijevi ne bi bio u interakciji s uranom. Mješavina uranovog tetrafluorida i magnezija (ili kalcija) se puni u aparat, nakon čega se zagrijava na 600 ° C. Kada se postigne ta temperatura, uključuje se električni upaljač, a egzotermna reakcija redukcije, u kojoj se napunjena smjesa potpuno rastali. Tekući uran (temperatura 1132°C) zbog svoje težine potpuno tone na dno. Nakon potpunog taloženja urana na dno aparata, počinje hlađenje, uran kristalizira, njegovi atomi su raspoređeni u strogom redoslijedu, tvoreći kubičnu rešetku - to je γ-faza. Sljedeći prijelaz događa se na 774° C - kristalna rešetka metala koji se hladi postaje tetragonalna, što odgovara β-fazi. Kada temperatura ingota padne na 668° C, atomi ponovno preslažu svoje redove, raspoređeni u valovima u paralelnim slojevima - α faza. Dalje se ne događaju nikakve promjene.

Glavni parametri urana uvijek se odnose na α fazu. Talište (tmelting) 1132° C, vrelište urana (tboiling) 3818° C. Specifični toplinski kapacitet na sobnoj temperaturi 27,67 kJ/(kg·K) ili 6,612 cal/(g·°S). Električni otpor pri temperaturi od 25°C iznosi približno 3·10 -7 ohm·cm, a već pri 600°S iznosi 5,5·10 -7 ohm·cm. Toplinska vodljivost urana također se mijenja ovisno o temperaturi: u rasponu od 100-200 ° C jednaka je 28,05 W/(m K) ili 0,067 cal/(cm sec ° C), a kada se poveća na 400 ° C povećava se do 29,72 W/(m K) 0,071 cal/(cm sec ° C). Uran ima supravodljivost na 0,68 K. Prosječna tvrdoća po Brinellu je 19,6 - 21,6·10 2 Mn/m 2 ili 200-220 kgf/mm 2.

Mnoga mehanička svojstva 92. elementa ovise o njegovoj čistoći i načinu toplinske i mehaničke obrade. Dakle za lijevani uran vlačna čvrstoća na sobnoj temperaturi je 372-470 MN/m2 ili 38-48 kgf/mm2, prosječni modul elastičnosti je 20,5·10 -2 MN/m2 ili 20,9·10 -3 kgf/mm2. Čvrstoća urana se povećava nakon gašenja iz β- i γ-faze.

Ozračivanje urana strujom neutrona, interakcija s gorivim elementima za hlađenje vodom izrađenim od metalnog urana, drugi čimbenici rada u moćnim reaktorima koji koriste toplinske neutrone - sve to dovodi do promjena u fizičkim i mehaničkim svojstvima urana: metal postaje krt, puzi razvija, a proizvodi od metalnog urana se deformiraju. Zbog toga se legure urana, na primjer s molibdenom, koriste u nuklearnim reaktorima; takva je legura otporna na vodu, ojačava metal, održavajući visokotemperaturnu kubičnu rešetku.

Kemijska svojstva

Kemijski, uran je vrlo aktivan metal. Na zraku oksidira uz stvaranje iridescentnog filma UO2 dioksida na površini, koji ne štiti metal od daljnje oksidacije, kao što se događa s titanom, cirkonijem i nizom drugih metala. S kisikom uran tvori UO2 dioksid, UO3 trioksid i veliki broj intermedijarnih oksida, od kojih je najvažniji U3O8, a svojstva ovih oksida su slična UO2 i UO3. U praškastom stanju, uran je piroforan i može se zapaliti pri laganom zagrijavanju (150 °C i više), sagorijevanje je popraćeno svijetlim plamenom, na kraju stvarajući U3O8. Na temperaturi od 500-600 °C uran u interakciji s fluorom stvara zelene igličaste kristale, slabo topive u vodi i kiselinama - uran tetrafluorid UF4, kao i UF6 - heksafluorid (bijeli kristali koji sublimiraju bez taljenja na temperaturi od 56,4 °C). UF4, UF6 primjeri su međudjelovanja urana s halogenima u obliku uranovih halogenida. Uran se lako spaja sa sumporom i tvori niz spojeva, od kojih najveća vrijednost ima američko - nuklearno gorivo. Uran reagira s vodikom na 220 °C i nastaje hidrid UH3, koji je kemijski vrlo aktivan. Daljnjim zagrijavanjem UH3 se raspada na vodik i uran u prahu. Međudjelovanje s dušikom događa se na višim temperaturama - od 450 do 700 °C i atmosferski pritisak dobiva se nitrid U4N7; povećanjem tlaka dušika pri istim temperaturama mogu se dobiti UN, U2N3 i UN2. Na višim temperaturama (750-800 °C), uran reagira s ugljikom i stvara UC monokarbid, UC2 dikarbid, a također i U2C3. Uran reagira s vodom stvarajući UO2 i H2, sporije s hladnom vodom, a aktivnije s vrućom vodom. Osim toga, reakcija se također odvija s vodenom parom na temperaturama od 150 do 250 °C. Ovaj se metal otapa u klorovodičnoj HCl i dušičnoj kiselini HNO3, manje aktivno u visoko koncentriranoj fluorovodičnoj kiselini, a sporo reagira sa sumpornom H2SO4 i ortofosfornom kiselinom H3PO4. Produkti reakcija s kiselinama su soli četverovalentnog urana. Od anorganskih kiselina i soli nekih metala (zlato, platina, bakar, srebro, kositar i živa), uran je sposoban istisnuti vodik. Uran ne stupa u interakciju s alkalijama.

U spojevima, uran može pokazivati ​​sljedeća oksidacijska stanja: +3, +4, +5, +6, ponekad +2. U3+ in prirodni uvjeti ne postoji i može se dobiti samo u laboratoriju. Spojevi peterovalentnog urana većinom su nestabilni i dosta se lako raspadaju na spojeve četverovalentnog i šesterovalentnog urana koji su najstabilniji. Heksavalentni uran karakterizira stvaranje uranilnog iona UO22+, čije su soli žute boje i vrlo topive u vodi i mineralnim kiselinama. Primjer heksavalentnog uranovog spoja je uranov trioksid ili uranov anhidrid UO3 (narančasti prah), koji je amfoterni oksid. Kada se otopi u kiselinama, nastaju soli, na primjer, uran uran klorid UO2Cl2. Kada lužine djeluju na otopine uranilnih soli, dobivaju se soli uranske kiseline H2UO4 - uranati i diuranske kiseline H2U2O7 - diuranati, na primjer, natrijev uranat Na2UO4 i natrijev diuranat Na2U2O7. Obojene su soli četverovalentnog urana (uran tetraklorid UCl4). zelene boje a manje topljivi. Kada su duže vrijeme izloženi zraku, spojevi koji sadrže četverovalentni uran obično su nestabilni i prelaze u šestovalentne. Uranilne soli kao što je uranil klorid razgrađuju se u prisutnosti jakog svjetla ili organske tvari.