محتوى المقال

أورانوس, U (اليورانيوم)، وهو عنصر كيميائي معدني من عائلة الأكتينيدات، والتي تشمل Ac، Th، Pa، U وعناصر ما بعد اليورانيوم (Np، Pu، Am، Cm، Bk، Cf، Es، Fm، Md، No، Lr). اكتسب اليورانيوم شهرة بسبب استخدامه في الأسلحة النووية والطاقة النووية. كما تستخدم أكاسيد اليورانيوم لتلوين الزجاج والسيراميك.

التواجد في الطبيعة.

تبلغ نسبة اليورانيوم في القشرة الأرضية 0.003%، ويوجد في الطبقة السطحية للأرض على شكل أربعة أنواع من الرواسب. أولاً، هذه عروق من اليورانيت، أو طبقة اليورانيوم (ثاني أكسيد اليورانيوم UO 2)، غنية جدًا باليورانيوم، ولكنها نادرة. وهي مصحوبة برواسب الراديوم، لأن الراديوم هو منتج مباشر لتحلل نظائر اليورانيوم. توجد مثل هذه الأوردة في زائير وكندا (بحيرة الدب العظيم) وجمهورية التشيك وفرنسا. المصدر الثاني لليورانيوم هو تكتلات الثوريوم و خام اليورانيومجنبا إلى جنب مع خامات المعادن الهامة الأخرى. تحتوي التكتلات عادةً على كميات كافية من الذهب والفضة لاستخراجها، مع وجود عناصر مرتبطة باليورانيوم والثوريوم. توجد رواسب كبيرة من هذه الخامات في كندا وجنوب إفريقيا وروسيا وأستراليا. المصدر الثالث لليورانيوم هو الصخور الرسوبية والأحجار الرملية الغنية بمعدن الكارنوتيت (فانادات يورانيل البوتاسيوم)، الذي يحتوي، بالإضافة إلى اليورانيوم، على كمية كبيرة من الفاناديوم وعناصر أخرى. تم العثور على هذه الخامات في الولايات الغربية للولايات المتحدة. ويشكل صخور الحديد واليورانيوم وخامات الفوسفات المصدر الرابع للرواسب. تم العثور على رواسب غنية في الصخر الزيتي في السويد. تحتوي بعض خامات الفوسفات في المغرب والولايات المتحدة على كميات كبيرة من اليورانيوم، كما أن رواسب الفوسفات في أنغولا وجمهورية أفريقيا الوسطى أكثر ثراءً باليورانيوم. تحتوي معظم الليجنيت وبعض أنواع الفحم عادة على شوائب اليورانيوم. تم العثور على رواسب الليجنيت الغنية باليورانيوم في شمال وجنوب داكوتا (الولايات المتحدة الأمريكية) والفحم القاري في إسبانيا وجمهورية التشيك.

افتتاح.

تم اكتشاف أورانوس في عام 1789 من قبل الكيميائي الألماني م. كلابروث، الذي أطلق على العنصر اسم تكريما لاكتشاف كوكب أورانوس قبل 8 سنوات. (كان كلابروث الكيميائي الرائد في عصره؛ واكتشف أيضًا عناصر أخرى، بما في ذلك Ce وTi وZr.) في الواقع، لم تكن المادة التي حصل عليها كلابروث يورانيوم عنصريًا، بل شكلًا مؤكسدًا منه، وتم الحصول على اليورانيوم العنصري لأول مرة بواسطة الكيميائي الفرنسي E. .Peligo في عام 1841. من لحظة الاكتشاف حتى القرن العشرين. ولم يكن لليورانيوم المعنى الذي له الآن، على الرغم من وجود الكثير منه الخصائص الفيزيائية، و الكتلة الذريةوتم تحديد الكثافة. في عام 1896، أثبت أ. بيكريل أن أملاح اليورانيوم تحتوي على إشعاع يضيء لوحة فوتوغرافية في الظلام. أدى هذا الاكتشاف إلى تنشيط الكيميائيين للبحث في مجال النشاط الإشعاعي، وفي عام 1898 قام الفيزيائيان الفرنسيان ب. كوري وم. سكلودوفسكا كوري بعزل الأملاح العناصر المشعةالبولونيوم والراديوم، وE. Rutherford، F. Soddy، K. Fajans وغيرهم من العلماء طوروا نظرية التحلل الإشعاعي، التي وضعت أسس الكيمياء النووية الحديثة والطاقة النووية.

الاستخدامات الأولى لليورانيوم

وعلى الرغم من أن النشاط الإشعاعي لأملاح اليورانيوم كان معروفا، إلا أن خاماته في الثلث الأول من هذا القرن لم تستخدم إلا للحصول على الراديوم المصاحب، وكان اليورانيوم يعتبر منتجا ثانويا غير مرغوب فيه. وكان استخدامه يتركز بشكل رئيسي في تكنولوجيا السيراميك والمعادن. واستخدمت أكاسيد اليورانيوم على نطاق واسع لتلوين الزجاج بألوان تتراوح من الأصفر الباهت إلى الأخضر الداكن، مما ساهم في تطوير إنتاج الزجاج غير المكلف. اليوم، يتم تعريف المنتجات من هذه الصناعات على أنها فلورسنت تحت الأشعة فوق البنفسجية. خلال الحرب العالمية الأولى وبعد ذلك بوقت قصير، تم استخدام اليورانيوم في شكل كربيد في إنتاج أدوات الفولاذ، على غرار Mo وW؛ تم استبدال التنغستن بنسبة 4-8% من اليورانيوم، وكان إنتاجه محدودًا في ذلك الوقت. للحصول على فولاذ الأدوات في 1914-1926، تم إنتاج عدة أطنان من الحديدورونيوم الذي يحتوي على ما يصل إلى 30% (كتلة) من اليورانيوم سنويًا، ومع ذلك، فإن هذا الاستخدام لليورانيوم لم يدم طويلًا.

الاستخدامات الحديثة لليورانيوم

بدأت صناعة اليورانيوم في التبلور عام 1939، عندما تم انشطار نظير اليورانيوم 235 يو، مما أدى إلى التنفيذ الفني للتفاعلات المتسلسلة الخاضعة للرقابة لانشطار اليورانيوم في ديسمبر 1942. وكانت هذه ولادة عصر الذرة عندما تحول اليورانيوم من عنصر تافه إلى واحد من أكثر العناصر عناصر مهمةفي حياة المجتمع. أدت الأهمية العسكرية لليورانيوم في إنتاج القنبلة الذرية واستخدامه كوقود في المفاعلات النووية إلى زيادة الطلب على اليورانيوم بشكل فلكي. إن التسلسل الزمني لنمو الطلب على اليورانيوم استنادًا إلى تاريخ الرواسب في بحيرة غريت بير (كندا) مثير للاهتمام. وفي عام 1930، تم اكتشاف خليط الراتنج في هذه البحيرة، وهو خليط من أكاسيد اليورانيوم، وفي عام 1932، تم إنشاء تقنية تنقية الراديوم في هذه المنطقة. ومن كل طن من الخام (خليط الراتينج) تم الحصول على 1 جرام من الراديوم وحوالي نصف طن من المنتج الثانوي، مركز اليورانيوم. ومع ذلك، كان هناك القليل من الراديوم وتوقف تعدينه. ومن عام 1940 إلى عام 1942، تم استئناف التطوير وبدأ شحن خام اليورانيوم إلى الولايات المتحدة. وفي عام 1949، تم استخدام عملية تنقية مماثلة لليورانيوم، مع بعض التحسينات، لإنتاج اليورانيوم النقي 2 . لقد نما هذا الإنتاج وأصبح الآن أحد أكبر مرافق إنتاج اليورانيوم.

ملكيات.

اليورانيوم هو أحد أثقل العناصر الموجودة في الطبيعة. المعدن النقي كثيف جدًا، ومرن، وموجب للكهرباء، وموصلية كهربائية منخفضة، وشديد التفاعل.

يحتوي اليورانيوم على ثلاثة تعديلات تآصلية: أ-اليورانيوم (شبكة بلورية تقويمية) موجود في نطاق من درجة حرارة الغرفة إلى 668 درجة مئوية؛ ب- اليورانيوم (شبكة بلورية معقدة من النوع الرباعي)، مستقر في نطاق 668-774 درجة مئوية؛ زاليورانيوم (شبكة بلورية مكعبة مركزية الجسم)، مستقر من 774 درجة مئوية حتى نقطة الانصهار (1132 درجة مئوية). وبما أن جميع نظائر اليورانيوم غير مستقرة، فإن جميع مركباته تظهر نشاطًا إشعاعيًا.

نظائر اليورانيوم

يوجد 238 U، 235 U، 234 U في الطبيعة بنسبة 99.3:0.7:0.0058، ويتواجد 236 U بكميات ضئيلة. ويتم الحصول على جميع نظائر اليورانيوم الأخرى من 226 يو إلى 242 يو بشكل صناعي. النظير 235 U له أهمية خاصة. وتحت تأثير النيوترونات البطيئة (الحرارية)، فإنها تنقسم، وتطلق طاقة هائلة. يؤدي الانشطار الكامل لـ 235 U إلى إطلاق "مكافئ طاقة حرارية" قدره 2H 10 7 kWh h/kg. يمكن استخدام انشطار 235 U ليس فقط لإنتاج كميات كبيرة من الطاقة، ولكن أيضًا لتركيب عناصر الأكتينيدات المهمة الأخرى. يمكن استخدام نظير اليورانيوم الطبيعي في المفاعلات النووية لإنتاج النيوترونات الناتجة عن انشطار 235 يو، في حين يمكن التقاط النيوترونات الزائدة التي لا يتطلبها التفاعل المتسلسل بواسطة نظير طبيعي آخر، مما يؤدي إلى إنتاج البلوتونيوم:

عندما يتم قصف 238U بالنيوترونات السريعة، تحدث التفاعلات التالية:

وفقًا لهذا المخطط، يمكن تحويل النظير الأكثر شيوعًا 238 U إلى بلوتونيوم 239، والذي، مثل 235 U، قادر أيضًا على الانشطار تحت تأثير النيوترونات البطيئة.

تلقى حاليا رقم ضخمنظائر اليورانيوم الاصطناعية. من بينها، يعتبر 233U ملحوظًا بشكل خاص لأنه ينشطر أيضًا عند التفاعل مع النيوترونات البطيئة.

غالبًا ما تُستخدم بعض نظائر اليورانيوم الاصطناعية الأخرى كمتتبعات إشعاعية في الأبحاث الكيميائية والفيزيائية؛ هذا هو أولا وقبل كل شيء ب- باعث 237 يو و أ- باعث 232 ش.

روابط.

اليورانيوم هو معدن شديد التفاعل، وله حالات أكسدة من +3 إلى +6، وهو قريب من البريليوم في سلسلة النشاط، ويتفاعل مع جميع اللافلزات ويشكل مركبات بين الفلزات مع Al، Be، Bi، Co، Cu، Fe، Hg والمغنيسيوم والنيكل والرصاص والقصدير والزنك. يعتبر اليورانيوم المسحوق جيدًا تفاعليًا بشكل خاص، وعند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية، غالبًا ما يدخل في تفاعلات مميزة لهيدريد اليورانيوم. يحترق اليورانيوم المقطوع أو النشارة بشكل ساطع عند درجة حرارة 700-1000 درجة مئوية، ويحترق بخار اليورانيوم بالفعل عند درجة حرارة 150-250 درجة مئوية، ويتفاعل اليورانيوم مع HF عند درجة حرارة 200-400 درجة مئوية، مكونًا UF 4 وH 2 . يذوب اليورانيوم ببطء في HF أو H 2 SO 4 و 85٪ H 3 PO 4 حتى عند 90 درجة مئوية، ولكنه يتفاعل بسهولة مع conc. حمض الهيدروكلوريك وأقل نشاطا مع HBr أو HI. تحدث التفاعلات الأكثر نشاطًا وسرعة لليورانيوم مع HNO 3 المخفف والمركز مع تكوين نترات اليورانيل ( انظر أدناه). وفي وجود حمض الهيدروكلوريك، يذوب اليورانيوم بسرعة الأحماض العضوية، مكونًا أملاح U4+ العضوية. اعتمادًا على درجة الأكسدة، يشكل اليورانيوم عدة أنواع من الأملاح (أهمها أملاح U4+، وأحدها UCl4 وهو ملح أخضر سهل الأكسدة)؛ أملاح اليورانيل (الجذرية UO 2 2+) من النوع UO 2 (NO 3) 2 صفراء اللون ومتألقة أخضر. تتشكل أملاح اليورانيل عن طريق إذابة الأكسيد المذبذب UO 3 (اللون الأصفر) في وسط حمضي. في البيئة القلوية، يشكل UO 3 يورات مثل Na 2 UO 4 أو Na 2 U 2 O 7. ويستخدم المركب الأخير ("اليورانيل الأصفر") في صناعة طلاء الخزف وفي إنتاج زجاج الفلورسنت.

تمت دراسة هاليدات اليورانيوم على نطاق واسع في 1940-1950، حيث تم استخدامها لتطوير طرق لفصل نظائر اليورانيوم للقنبلة الذرية أو المفاعل النووي. تم الحصول على ثلاثي فلوريد اليورانيوم UF 3 عن طريق اختزال UF 4 بالهيدروجين، وتم الحصول على رباعي فلوريد اليورانيوم UF 4 طرق مختلفةعن طريق تفاعلات HF مع أكاسيد مثل UO 3 أو U 3 O 8 أو عن طريق الاختزال الكهربائي لمركبات اليورانيل. يتم الحصول على سداسي فلوريد اليورانيوم UF 6 عن طريق فلورة U أو UF 4 مع الفلور العنصري أو عن طريق عمل الأكسجين على UF 4 . يشكل سداسي فلوريد بلورات شفافة ذات معامل انكسار مرتفع عند 64 درجة مئوية (1137 ملم زئبق)؛ المركب متطاير (في ظل الظروف الضغط الطبيعييتسامى عند 56.54 درجة مئوية). أوكسوهاليدات اليورانيوم، على سبيل المثال، أوكسوفلوريد، لها التركيبة UO 2 F 2 (فلوريد اليورانيل)، UOF 2 (ثاني فلوريد أكسيد اليورانيوم).

أورانوس هو الكوكب السابع في المجموعة النظام الشمسيوالعملاق الغازي الثالث. الكوكب هو ثالث أكبر ورابع أكبر كوكب من حيث الكتلة، وقد حصل على اسمه تكريما لأب الإله الروماني زحل.

بالضبط أورانوسكان له شرف كونه أول كوكب اكتشف في التاريخ الحديث. ومع ذلك، في الواقع، فإن اكتشافه الأولي له ككوكب لم يحدث بالفعل. في عام 1781 عالم الفلك وليام هيرشلأثناء مراقبة النجوم في كوكبة الجوزاء، لاحظ جسمًا معينًا على شكل قرص، والذي سجله في البداية على أنه مذنب، وأبلغ عنه الجمعية العلمية الملكية في إنجلترا. ومع ذلك، في وقت لاحق هيرشل نفسه كان في حيرة من حقيقة أن مدار الجسم تبين أنه دائري تقريبا، وليس بيضاوي الشكل، كما هو الحال مع المذنبات. فقط عندما تم تأكيد هذه الملاحظة من قبل علماء فلك آخرين، توصل هيرشل إلى استنتاج مفاده أنه اكتشف بالفعل كوكبًا، وليس مذنبًا، وتم قبول هذا الاكتشاف على نطاق واسع أخيرًا.

وبعد التأكد من البيانات التي تفيد بأن الجسم المكتشف كان كوكبًا، حصل هيرشل على امتياز استثنائي بإعطائه اسمه. وبدون تردد، اختار الفلكي اسم الملك جورج الثالث ملك إنجلترا، وأطلق على الكوكب اسم جورجيوم سيدوس، والذي يعني ترجمته "نجم جورج". ومع ذلك، لم يتلق الاسم أبدًا اعترافًا علميًا و العلماء، في أغلب الأحيان،توصلت إلى استنتاج مفاده أنه من الأفضل الالتزام بتقليد معين في تسمية كواكب النظام الشمسي، أي تسميتها تكريما للآلهة الرومانية القديمة. وهكذا حصل أورانوس على اسمه الحديث.

حاليًا، المهمة الكوكبية الوحيدة التي تمكنت من جمع معلومات حول أورانوس هي فوييجر 2.

وقد سمح هذا الاجتماع الذي انعقد عام 1986 للعلماء بالحصول على ما يكفي عدد كبير منبيانات حول الكوكب وإجراء العديد من الاكتشافات. سفينة فضائيةنقلت آلاف الصور الفوتوغرافية لأورانوس وأقماره وحلقاته. وعلى الرغم من أن العديد من الصور الفوتوغرافية للكوكب أظهرت ما يزيد قليلاً عن اللون الأزرق والأخضر الذي يمكن رؤيته من التلسكوبات الأرضية، فقد أظهرت صور أخرى وجود عشرة أقمار غير معروفة سابقًا وحلقتين جديدتين. لا توجد بعثات جديدة إلى أورانوس مخطط لها في المستقبل القريب.

نظرًا للون الأزرق الداكن لأورانوس، فقد تبين أن إنشاء نموذج جوي للكوكب أكثر صعوبة بكثير من النماذج المشابهة أو حتى. ولحسن الحظ، قدمت الصور الملتقطة من تلسكوب هابل الفضائي صورة أوسع. أكثر التقنيات الحديثةأتاحت تصورات التلسكوب الحصول على صور أكثر تفصيلاً بكثير من تلك الموجودة في فوييجر 2. وهكذا، بفضل صور هابل، كان من الممكن اكتشاف وجود خطوط عرض على أورانوس، تمامًا كما هو الحال في عمالقة الغاز الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تصل سرعة الرياح على الكوكب إلى أكثر من 576 كم/ساعة.

ويعتقد أن سبب ظهور الغلاف الجوي الرتيب هو تكوين الطبقة العليا منه. تتكون الطبقات المرئية من السحب بشكل أساسي من غاز الميثان، الذي يمتص هذه الأطوال الموجية المرصودة المقابلة للون الأحمر. وبالتالي، يتم تمثيل الموجات المنعكسة باللونين الأزرق والأخضر.

تحت هذه الطبقة الخارجية من الميثان، يتكون الغلاف الجوي من حوالي 83% هيدروجين (H2) و15% هيليوم، مع وجود بعض الميثان والأسيتيلين. يشبه هذا التكوين عمالقة الغاز الأخرى في النظام الشمسي. ومع ذلك، فإن الغلاف الجوي لأورانوس مختلف بشكل لافت للنظر بطريقة أخرى. في حين أن الغلاف الجوي للمشتري وزحل أغلبه غازي، فإن الغلاف الجوي لأورانوس يحتوي على الكثير المزيد من الجليد. والدليل على ذلك هو درجات الحرارة المنخفضة للغاية على السطح. وبالنظر إلى أن درجة حرارة الغلاف الجوي لأورانوس تصل إلى -224 درجة مئوية، فيمكن تسميته بأبرد جو في النظام الشمسي. وعلاوة على ذلك، تشير البيانات المتاحة إلى أن مثل هذا التطرف درجة حرارة منخفضةموجود حول كامل سطح أورانوس تقريبًا، حتى على الجانب غير المضاء بالشمس.

يتكون أورانوس، وفقًا لعلماء الكواكب، من طبقتين: اللب والوشاح. تشير النماذج الحالية إلى أن اللب يتكون أساسًا من الصخور والجليد، وتبلغ كتلته حوالي 55 ضعفًا. يبلغ وزن وشاح الكوكب 8.01×10 أس 24 كجم، أو حوالي 13.4 كتلة الأرض. بالإضافة إلى ذلك، يتكون الوشاح من الماء والأمونيا وعناصر متطايرة أخرى. والفرق الرئيسي بين عباءة أورانوس والمشتري وزحل هو أنها جليدية، وإن لم يكن ذلك بالمعنى التقليدي للكلمة. والحقيقة هي أن الجليد حار جدًا وسميك، ويبلغ سمك الوشاح 5.111 كم.

ما هو أكثر شيء مدهش في تركيبة أورانوس وما الذي يميزه عن عمالقة الغاز الآخرين التابعين لنا؟ نظام النجوم، هو أنها لا تنبعث من الطاقة أكثر مما تتلقاه من الشمس. نظرًا لحقيقة أنه حتى ، وهو قريب جدًا من حجم أورانوس، ينتج حوالي 2.6 مرة حرارة أكثر مما يتلقاه من الشمس، فإن العلماء اليوم مفتونون جدًا بمثل هذه القوة الضعيفة التي يولدها أورانوس. يوجد حاليًا تفسيران هذه الظاهرة. يشير الأول إلى أن أورانوس تعرض لجسم فضائي ضخم في الماضي، مما تسبب في فقدان الكوكب للكثير من حرارته الداخلية (المكتسبة أثناء التكوين) في الفضاء. وتنص النظرية الثانية على وجود نوع من الحاجز داخل الكوكب لا يسمح للحرارة الداخلية للكوكب بالهروب إلى السطح.

مدار ودوران أورانوس

لقد سمح اكتشاف أورانوس للعلماء بمضاعفة نصف قطر النظام الشمسي المعروف تقريبًا. وهذا يعني أن مدار أورانوس في المتوسط ​​يبلغ حوالي 2.87 × 10 أس 9 كم. سبب هذه المسافة الضخمة هو مدة مرور الإشعاع الشمسي من الشمس إلى الكوكب. يستغرق ضوء الشمس حوالي ساعتين وأربعين دقيقة للوصول إلى أورانوس، وهو ما يقرب من عشرين مرة أطول مما يستغرقه ضوء الشمس للوصول إلى الأرض. وتؤثر المسافة الهائلة أيضًا على طول العام على أورانوس، حيث يستمر حوالي 84 سنة أرضية.

الانحراف المداري لأورانوس هو 0.0473، وهو أقل بقليل من كوكب المشتري - 0.0484. وهذا العامل يجعل أورانوس الرابع بين جميع كواكب المجموعة الشمسية من حيث المدار الدائري. السبب وراء هذا الانحراف البسيط لمدار أورانوس هو أن الفرق بين حضيضه الشمسي الذي يبلغ 2.74 × 10 أس 9 كم وأوجه الذي يبلغ 3.01 × 109 كم هو فقط 2.71 × 10 أس 8 كم.

النقطة الأكثر إثارة للاهتمام حول دوران أورانوس هي موضع المحور. الحقيقة هي أن محور دوران كل الكواكب باستثناء أورانوس يكون متعامدًا تقريبًا على المستوى المداري، لكن محور أورانوس يميل تقريبًا بمقدار 98 درجة، مما يعني فعليًا أن أورانوس يدور على جانبه. ونتيجة هذا الوضع لمحور الكوكب، يكون القطب الشمالي لأورانوس على الشمس لمدة نصف السنة الكوكبية، والنصف الآخر على القطب الجنوبي للكوكب. بعبارة أخرى، النهارفي أحد نصفي الكرة الأرضية من أورانوس يستمر 42 سنة أرضية، والحياة الليلية في نصف الكرة الآخر هي نفسها. يشير العلماء مرة أخرى إلى الاصطدام بجسم كوني ضخم باعتباره السبب وراء "انقلاب أورانوس على جانبه".

مع الأخذ في الاعتبار أنها الأكثر شهرة من الحلقات في نظامنا الشمسي منذ وقت طويلوبقيت حلقات زحل ولم يتم اكتشاف حلقات أورانوس حتى عام 1977. ومع ذلك، ليس هذا هو السبب الوحيد، فهناك سببان آخران لمثل هذا الاكتشاف المتأخر: بعد الكوكب عن الأرض وانخفاض انعكاس الحلقات نفسها. وفي عام 1986، تمكنت المركبة الفضائية فوييجر 2 من تحديد وجود حلقتين أخريين على الكوكب، بالإضافة إلى تلك المعروفة في ذلك الوقت. وفي عام 2005، رصد تلسكوب هابل الفضائي اثنين آخرين. اليوم، يعرف علماء الكواكب 13 حلقة لأورانوس، ألمعها هي حلقة إبسيلون.

تختلف حلقات أورانوس عن حلقات زحل في كل شيء تقريبًا، بدءًا من حجم الجسيمات وحتى تركيبها. أولا، الجسيمات التي تشكل حلقات زحل صغيرة الحجم، لا يزيد قطرها إلا قليلا عن بضعة أمتار، بينما تحتوي حلقات أورانوس على أجسام عديدة يصل قطرها إلى عشرين مترا. ثانيًا، تتكون معظم الجسيمات الموجودة في حلقات زحل من الجليد. ومع ذلك، فإن حلقات أورانوس تتكون من الجليد وكمية كبيرة من الغبار والحطام.

اكتشف ويليام هيرشل أورانوس فقط في عام 1781 لأن الكوكب كان خافتًا جدًا بحيث لا يمكن للحضارات القديمة رؤيته. اعتقد هيرشل نفسه في البداية أن أورانوس كان مذنبًا، لكنه عدل رأيه لاحقًا وأكد العلم الوضع الكوكبي للكائن. وبذلك أصبح أورانوس أول كوكب يتم اكتشافه في التاريخ الحديث. الاسم الأصلي الذي اقترحه هيرشل كان "نجمة جورج" - تكريما للملك جورج الثالث، لكن المجتمع العلمي لم يقبله. اقترح عالم الفلك يوهان بود اسم "أورانوس" تكريما للإله الروماني القديم أورانوس.
يدور أورانوس حول محوره مرة كل 17 ساعة و14 دقيقة. مثلاً، يدور الكوكب في اتجاه رجعي، عكس اتجاه الأرض والكواكب الستة الأخرى.
ويعتقد أن الميل غير المعتاد لمحور أورانوس قد يتسبب في اصطدام ضخم بجسم كوني آخر. النظرية هي أن كوكبًا يفترض أنه بحجم الأرض اصطدم بشكل حاد بأورانوس، مما أدى إلى تغيير محوره بمقدار 90 درجة تقريبًا.
يمكن أن تصل سرعة الرياح على أورانوس إلى 900 كيلومتر في الساعة.
تبلغ كتلة أورانوس حوالي 14.5 مرة كتلة الأرض، مما يجعله أخف الكواكب الغازية الأربعة في نظامنا الشمسي.
غالبًا ما يُشار إلى أورانوس باسم "العملاق الجليدي". بالإضافة إلى الهيدروجين والهيليوم الطبقة العليا(مثل العمالقة الغازية الأخرى)، يمتلك أورانوس أيضًا غلافًا جليديًا يحيط بقلبه الحديدي. يتكون الغلاف الجوي العلوي من الأمونيا وبلورات الميثان الجليدية، مما يعطي أورانوس لونه الأزرق الشاحب المميز.
أورانوس هو ثاني أقل الكواكب كثافة في النظام الشمسي، بعد زحل.

اليورانيوم عنصر كيميائي من عائلة الأكتينيدات برقم ذري 92. وهو أهم الوقود النووي. ويبلغ تركيزه في القشرة الأرضية حوالي 2 جزء في المليون. تشمل معادن اليورانيوم المهمة أكسيد اليورانيوم (U3O8)، واليورانينيت (UO2)، والكارنوتيت (فانادات يورانيل البوتاسيوم)، والأوتينيت (فوسفات يورانيل البوتاسيوم)، والتوربرنيت (فوسفات يورانيل النحاس المائي). تعتبر هذه الخامات وغيرها من خامات اليورانيوم مصادر للوقود النووي وتحتوي على طاقة أكبر بعدة مرات من جميع رواسب الوقود الأحفوري المعروفة القابلة للاسترداد. يوفر 1 كجم من اليورانيوم 92 U نفس الطاقة التي يوفرها 3 ملايين كجم من الفحم.

تاريخ الاكتشاف

عنصر كيميائياليورانيوم معدن كثيف وصلب ذو لون أبيض فضي. إنها قابلة للطرق والطرق والتلميع. في الهواء، يتأكسد المعدن، وعندما يتم سحقه، يشتعل. يوصل الكهرباء بشكل سيء نسبيا. الصيغة الإلكترونية لليورانيوم هي 7s2 6d1 5f3.

على الرغم من أن العنصر تم اكتشافه في عام 1789 على يد الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث، الذي أطلق عليه اسم كوكب أورانوس المكتشف حديثًا، إلا أن المعدن نفسه تم عزله في عام 1841 على يد الكيميائي الفرنسي يوجين ملكيور بيليجوت عن طريق الاختزال من رابع كلوريد اليورانيوم (UCl 4) مع البوتاسيوم.

النشاط الإشعاعي

أدى إنشاء الجدول الدوري على يد الكيميائي الروسي دميتري مندلييف في عام 1869 إلى تركيز الاهتمام على اليورانيوم باعتباره أثقل عنصر معروف، وبقي على حاله حتى اكتشاف النبتونيوم في عام 1940. وفي عام 1896، اكتشف الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل ظاهرة النشاط الإشعاعي فيه. تم العثور على هذه الخاصية لاحقًا في العديد من المواد الأخرى. ومن المعروف الآن أن اليورانيوم المشع بجميع نظائره يتكون من خليط من 238 يو (99.27%، عمر النصف - 4.510.000.000 سنة)، 235 يو (0.72%، عمر النصف - 713.000.000 سنة) و234 يو (0.006). ٪، عمر النصف - 247000 سنة). وهذا يسمح، على سبيل المثال، بتحديد عمر الصخور والمعادن لدراسة العمليات الجيولوجية وعمر الأرض. للقيام بذلك، يقومون بقياس كمية الرصاص، وهي المنتج النهائيالاضمحلال الإشعاعي لليورانيوم. في هذه الحالة، 238 U هو العنصر الأولي، و234 U هو أحد المنتجات. 235 U يؤدي إلى ظهور سلسلة اضمحلال الأكتينيوم.

اكتشاف التفاعل المتسلسل

أصبح عنصر اليورانيوم الكيميائي موضع اهتمام واسع النطاق ودراسة مكثفة بعد أن اكتشف الكيميائيان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان الانشطار النووي فيه في نهاية عام 1938 عندما تم قصفه بالنيوترونات البطيئة. في بداية عام 1939، اقترح الفيزيائي الأمريكي من أصل إيطالي إنريكو فيرمي أنه من بين نواتج الانشطار الذري يمكن أن تكون هناك جسيمات أولية قادرة على توليد تفاعل تسلسلي. وفي عام 1939، أكد الفيزيائيان الأمريكيان ليو زيلارد وهيربرت أندرسون، وكذلك الكيميائي الفرنسي فريدريك جوليو كوري وزملاؤهما هذا التنبؤ. وأظهرت الدراسات اللاحقة أنه، في المتوسط، يتم إطلاق 2.5 نيوترون عند انشطار الذرة. أدت هذه الاكتشافات إلى أول تفاعل نووي متسلسل ذاتي الاستدامة (1942/02/12)، وأول تفاعل نووي متسلسل ذاتي الاستدامة (1942/02/12)، قنبلة ذرية(16/07/1945)، أول استخدام لها أثناء العمليات العسكرية (1945/08/08)، أول غواصة نووية (1955) وأول محطة طاقة نووية واسعة النطاق (1957).

الأكسدة

عنصر اليورانيوم الكيميائي، وهو معدن قوي موجب للكهرباء، يتفاعل مع الماء. يذوب في الأحماض، ولكن ليس في القلويات. حالات الأكسدة المهمة هي +4 (كما هو الحال في أكسيد UO 2، ورباعي الهاليدات مثل UCl 4، وأيون الماء الأخضر U4+) و+6 (كما هو الحال في أكسيد UO 3، وسداسي فلوريد اليورانيوم 6، وأيون اليورانيل UO 2 2+). في المحلول المائي، يكون اليورانيوم أكثر استقرارًا في تكوين أيون اليورانيل، الذي له بنية خطية [O = U = O] 2+. يحتوي العنصر أيضًا على حالات +3 و+5، لكنها غير مستقرة. يتأكسد Red U 3+ ببطء في الماء الذي لا يحتوي على الأكسجين. لون أيون UO 2+ غير معروف لأنه يخضع لعدم التناسب (يتم اختزال UO 2+ إلى U 4+ ويتأكسد إلى UO 2 2+) حتى في المحاليل المخففة جدًا.

وقود نووي

عند تعرضها للنيوترونات البطيئة، يحدث انشطار ذرة اليورانيوم في النظير النادر نسبيًا 235 يو. وهذه هي المادة الانشطارية الوحيدة التي تحدث بشكل طبيعي، ويجب فصلها عن النظير 238 يو. ومع ذلك، بعد الامتصاص واضمحلال بيتا السلبي، يصبح اليورانيوم -238 يتحول إلى عنصر البلوتونيوم الاصطناعي الذي ينقسم تحت تأثير النيوترونات البطيئة. ولذلك، يمكن استخدام اليورانيوم الطبيعي في مفاعلات المحول والمولد، حيث يتم دعم الانشطار بواسطة 235 يو نادر ويتم إنتاج البلوتونيوم في وقت واحد مع تحويل 238 يو. يمكن تصنيع اليورانيوم 233 الانشطاري من نظير الثوريوم 232 الموجود بشكل طبيعي على نطاق واسع لاستخدامه كوقود نووي. يعد اليورانيوم مهمًا أيضًا باعتباره المادة الأولية التي يتم من خلالها الحصول على عناصر ما بعد اليورانيوم الاصطناعية.

استخدامات أخرى لليورانيوم

وكانت مركبات العنصر الكيميائي تستخدم في السابق كأصباغ للسيراميك. سداسي فلوريد (UF 6) هو صلبمع غير عادية ضغط مرتفعالأبخرة (0.15 ضغط جوي = 15300 باسكال) عند 25 درجة مئوية. يعد UF 6 شديد التفاعل كيميائيًا، ولكن على الرغم من طبيعته المسببة للتآكل في حالة البخار، فإنه يستخدم على نطاق واسع في الانتشار الغازي وطرق الطرد المركزي الغازي لإنتاج اليورانيوم المخصب.

المركبات العضوية المعدنية هي مجموعة مثيرة للاهتمام ومهمة من المركبات التي تربط فيها روابط الكربون المعدنية المعدن بالمجموعات العضوية. اليورانوسين هو مركب عضوي عضوي U(C 8 H 8) 2 حيث تقع ذرة اليورانيوم بين طبقتين من الحلقات العضوية المرتبطة بـ سيكلو أوكتاتترين C 8 H 8. فتح اكتشافه في عام 1968 مجالًا جديدًا للكيمياء العضوية المعدنية.

ويستخدم اليورانيوم الطبيعي المنضب كوقاية من الإشعاع، وكصابورة، وفي القذائف الخارقة للدروع ودروع الدبابات.

إعادة التدوير

العنصر الكيميائي، على الرغم من كثافته العالية (19.1 جم/سم3)، إلا أنه مادة ضعيفة نسبيًا وغير قابلة للاشتعال. في الواقع، يبدو أن الخصائص المعدنية لليورانيوم تضعه في مكان ما بين الفضة وغيرها من المعادن الحقيقية وغير المعدنية، لذلك لا يتم استخدامه كعنصر كيميائي. مواد البناء. تكمن القيمة الرئيسية لليورانيوم في الخصائص المشعة لنظائره وقدرتها على الانشطار. في الطبيعة، يتكون كل المعدن تقريبًا (99.27%) من 238 U. والباقي هو 235 U (0.72%) و234 U (0.006%). ومن بين هذه النظائر الطبيعية، يتم انشطار 235 يو فقط مباشرة عن طريق تشعيع النيوترونات. ومع ذلك، عند امتصاصه، يشكل 238 U 239 U، والذي يضمحل في النهاية إلى 239 Pu، وهي مادة انشطارية لها أهمية عظيمةللطاقة النووية والأسلحة النووية. يمكن تكوين نظير انشطاري آخر، 233 U، عن طريق تشعيع النيوترونات بقوة 232 ث.

أشكال كريستال

خصائص اليورانيوم تجعله يتفاعل مع الأكسجين والنيتروجين حتى في الظروف العادية. مع المزيد درجات حرارة عاليةاوه يتفاعل مع مدى واسعصناعة سبائك المعادن، وتشكيل المركبات بين الفلزات. يعد تكوين المحاليل الصلبة مع معادن أخرى أمرًا نادرًا بسبب الهياكل البلورية الخاصة التي تشكلها ذرات العنصر. بين درجة حرارة الغرفة ونقطة الانصهار البالغة 1132 درجة مئوية، يوجد معدن اليورانيوم في 3 أشكال بلورية تعرف باسم ألفا (α)، وبيتا (β) وغاما (γ). يحدث التحول من الحالة α- إلى الحالة β عند 668 درجة مئوية ومن β إلى γ عند 775 درجة مئوية. يحتوي اليورانيوم γ على بنية بلورية مكعبة متمركزة حول الجسم، في حين أن β له بنية بلورية رباعية الزوايا. يتكون الطور α من طبقات من الذرات في بنية عظمية متناظرة للغاية. يمنع هذا الهيكل المشوه متباين الخواص ذرات فلز السبائك من استبدال ذرات اليورانيوم أو احتلال المساحة بينها في الشبكة البلورية. وقد وجد أن الموليبدينوم والنيوبيوم فقط يشكلان محاليل صلبة.

خام

تحتوي القشرة الأرضية على حوالي 2 جزء في المليون من اليورانيوم، مما يشير إلى وجوده على نطاق واسع في الطبيعة. وتشير التقديرات إلى أن المحيطات تحتوي على 4.5 × 10 9 طن من هذا العنصر الكيميائي. يعد اليورانيوم مكونًا مهمًا لأكثر من 150 معدنًا مختلفًا ومكونًا ثانويًا لـ 50 معدنًا آخر. وتشمل المعادن الأولية الموجودة في الأوردة الحرارية المائية المنصهرة والبيغماتيت اليورانيت ومشتقاته من البتشبلند. في هذه الخامات يحدث العنصر في شكل ثاني أكسيد، والذي يمكن أن يتراوح بسبب الأكسدة من UO 2 إلى UO 2.67. المنتجات الأخرى ذات الأهمية الاقتصادية من مناجم اليورانيوم هي الأوتونيت (فوسفات يورانيل الكالسيوم المائي)، التوبيرنيت (فوسفات اليورانيل النحاسي المائي)، الكوفينيت (سيليكات اليورانيوم المائي الأسود) والكارنوتيت (فانادات يورانيل البوتاسيوم المائي).

وتشير التقديرات إلى أن أكثر من 90% من احتياطيات اليورانيوم منخفض التكلفة المعروفة تقع في أستراليا وكازاخستان وكندا وروسيا وجنوب أفريقيا والنيجر وناميبيا والبرازيل والصين ومنغوليا وأوزبكستان. توجد رواسب كبيرة في التكوينات الصخرية المتكتلة في بحيرة إليوت، الواقعة شمال بحيرة هورون في أونتاريو، كندا، وفي منجم الذهب ويتواترسراند بجنوب إفريقيا. تحتوي التكوينات الرملية في هضبة كولورادو وحوض وايومنغ في غرب الولايات المتحدة أيضًا على احتياطيات كبيرة من اليورانيوم.

إنتاج

توجد خامات اليورانيوم في الرواسب القريبة من السطح والعميقة (300-1200 م). تحت الأرض يصل سمك التماس إلى 30 م، وكما هو الحال في خامات المعادن الأخرى يتم استخراج اليورانيوم على السطح باستخدام معدات التنقيب الكبيرة، ويتم تطوير الرواسب العميقة بواسطة الطرق التقليديةالألغام العمودية والمائلة. بلغ الإنتاج العالمي من اليورانيوم المركز عام 2013 حوالي 70 ألف طن، وتقع أكثر مناجم اليورانيوم إنتاجًا في كازاخستان (32% من إجمالي الإنتاج) وكندا وأستراليا والنيجر وناميبيا وأوزبكستان وروسيا.

تحتوي خامات اليورانيوم عادةً على كميات صغيرة فقط من المعادن المحتوية على اليورانيوم ولا تكون قابلة للصهر بطرق المعالجة المعدنية الحرارية المباشرة. وبدلاً من ذلك، يجب استخدام إجراءات المعالجة المعدنية المائية لاستخراج اليورانيوم وتنقيته. تؤدي زيادة التركيز إلى تقليل الحمل على دوائر المعالجة بشكل كبير، ولكن لا يمكن تطبيق أي من طرق الإثراء التقليدية المستخدمة عادة في معالجة المعادن، مثل الجاذبية والتعويم والفرز الكهروستاتيكي وحتى الفرز اليدوي. ومع استثناءات قليلة، تؤدي هذه الأساليب إلى خسارة كبيرة في اليورانيوم.

احتراق

غالبًا ما تسبق المعالجة الميتالورجية المائية لخامات اليورانيوم مرحلة تكليس بدرجة حرارة عالية. يؤدي الحرق إلى تجفيف الطين، وإزالة المواد الكربونية، وأكسدة مركبات الكبريت إلى كبريتات غير ضارة، وأكسدة أي عوامل اختزال أخرى قد تتداخل مع المعالجة اللاحقة.

الترشيح

يتم استخلاص اليورانيوم من الخامات المحمصة بشقيها الحمضي والقلوي محاليل مائية. لكي تعمل جميع أنظمة الترشيح بنجاح، يجب أن يكون العنصر الكيميائي موجودًا في البداية في شكل سداسي التكافؤ الأكثر استقرارًا أو أن يتم أكسدته إلى هذه الحالة أثناء المعالجة.

يتم إجراء الترشيح الحمضي عادةً عن طريق تحريك خليط من الخام والمادة المسيلة لمدة تتراوح بين 4 و48 ساعة عند درجة حرارة بيئة. إلا في حالات خاصة، يتم استخدام حمض الكبريتيك. يتم توفيره بكميات كافية للحصول على السائل النهائي عند درجة حموضة 1.5. تستخدم مخططات ترشيح حمض الكبريتيك عادةً ثاني أكسيد المنغنيز أو الكلورات لأكسدة رباعي التكافؤ U4+ إلى اليورانيل سداسي التكافؤ (UO22+). عادة، ما يقرب من 5 كجم من ثاني أكسيد المنغنيز أو 1.5 كجم من كلورات الصوديوم لكل طن كافية لأكسدة U 4+. في كلتا الحالتين، يتفاعل اليورانيوم المؤكسد مع حمض الكبريتيك لتكوين أنيون معقد كبريتات اليورانيل 4-.

يتم ترشيح الخام الذي يحتوي على كميات كبيرة من المعادن الأساسية مثل الكالسيت أو الدولوميت بمحلول مولاري 0.5-1 من كربونات الصوديوم. على الرغم من دراسة واختبار الكواشف المختلفة، فإن العامل المؤكسد الرئيسي لليورانيوم هو الأكسجين. عادة، يتم ترشيح الخام في الهواء عند الضغط الجويوعند درجة حرارة 75-80 درجة مئوية لمدة زمنية تعتمد على النوعية التركيب الكيميائي. تتفاعل القلويات مع اليورانيوم لتكوين الأيون المركب القابل للذوبان بسهولة 4-.

يجب توضيح المحاليل الناتجة عن ترشيح الأحماض أو الكربونات قبل إجراء المزيد من المعالجة. يتم تحقيق فصل واسع النطاق للطين وملاط الخامات الأخرى من خلال استخدام عوامل تلبد فعالة، بما في ذلك بولي أكريلاميد وصمغ الغوار والغراء الحيواني.

اِستِخلاص

يمكن امتصاص الأيونات المعقدة 4 و4 من محاليل الترشيح الخاصة براتنج التبادل الأيوني. يمكن استخدام هذه الراتنجات الخاصة، التي تتميز بحركية الامتصاص والشطف، وحجم الجسيمات، والثبات والخصائص الهيدروليكية، في تقنيات مختلفةالمعالجة، على سبيل المثال في سرير ثابت ومتحرك، عن طريق طريقة راتنج التبادل الأيوني في السلة واللب من النوع المستمر. عادة، يتم استخدام محاليل كلوريد الصوديوم والأمونيا أو النترات لإزالة اليورانيوم الممتص.

يمكن عزل اليورانيوم من سوائل الخام الحمضية عن طريق الاستخلاص بالمذيبات. يتم استخدام أحماض ألكيلفوسفوريك وكذلك ألكيل أمينات الثانوية والثالثية في الصناعة. بشكل عام، يُفضل الاستخلاص بالمذيبات على طرق التبادل الأيوني للمرشحات الحمضية التي تحتوي على أكثر من 1 جم/لتر من اليورانيوم. ومع ذلك، لا تنطبق هذه الطريقة على ترشيح الكربونات.

تتم بعد ذلك تنقية اليورانيوم عن طريق إذابته في حمض النيتريك لتكوين نترات اليورانيل، ثم استخلاصه وتبلوره وتكليسه لتكوين ثالث أكسيد اليورانيوم. يتفاعل ثاني أكسيد اليورانيوم المخفض مع فلوريد الهيدروجين لتكوين ثيتافلورايد UF4، والذي يتم اختزال معدن اليورانيوم منه بواسطة المغنيسيوم أو الكالسيوم عند درجة حرارة 1300 درجة مئوية.

يمكن فلورة رباعي فلوريد عند 350 درجة مئوية لتكوين سداسي فلوريد UF 6، والذي يستخدم لفصل اليورانيوم المخصب عن طريق الانتشار الغازي، أو الطرد المركزي للغاز، أو الانتشار الحراري السائل.

يتحدث المقال عن وقت اكتشاف عنصر اليورانيوم الكيميائي وفي أي الصناعات تستخدم هذه المادة في عصرنا.

اليورانيوم عنصر كيميائي يدخل في صناعات الطاقة والصناعات العسكرية

في جميع الأوقات، حاول الناس العثور على مصادر طاقة عالية الكفاءة، ومن الناحية المثالية، إنشاء ما يسمى لسوء الحظ، تم إثبات استحالة وجودها من الناحية النظرية وتبريرها في القرن التاسع عشر، لكن العلماء لم يفقدوا الأمل أبدًا في تحقيق ذلك حلم جهاز ما قادر على توفير كميات كبيرة من الطاقة "النظيفة" لفترة طويلة جدًا.

وقد تحقق ذلك جزئيًا مع اكتشاف مادة مثل اليورانيوم. شكل العنصر الكيميائي الذي يحمل هذا الاسم الأساس لتطوير المفاعلات النووية، والتي توفر في عصرنا الطاقة لمدن بأكملها، والغواصات، والسفن القطبية، وما إلى ذلك. صحيح أن طاقتهم لا يمكن أن تسمى "نقية"، ولكن السنوات الاخيرةتعمل العديد من الشركات على تطوير "بطاريات ذرية" مدمجة تعتمد على التريتيوم للبيع على نطاق واسع - فهي لا تحتوي على أجزاء متحركة وهي آمنة للصحة.

ولكننا في هذا المقال سنتناول بالتفصيل تاريخ اكتشاف العنصر الكيميائي المسمى اليورانيوم والتفاعل الانشطاري لنواته.

تعريف

اليورانيوم هو عنصر كيميائي له العدد الذري 92 في الجدول الدوري لمندليف. كتلته الذرية هي 238.029. ويشار إليه بالرمز U. وفي الظروف العادية، يكون معدنًا كثيفًا وثقيلًا وذو لون فضي. إذا تحدثنا عن نشاطه الإشعاعي، فإن اليورانيوم نفسه عنصر ذو نشاط إشعاعي ضعيف. كما أنه لا يحتوي على نظائر مستقرة تمامًا. ويعتبر اليورانيوم 338 هو أكثر النظائر الموجودة استقرارًا.

لقد اكتشفنا ما هو هذا العنصر، والآن سننظر في تاريخ اكتشافه.

قصة

مادة مثل أكسيد اليورانيوم الطبيعي معروفة لدى الناس منذ العصور القديمة، واستخدمها الحرفيون القدماء في صناعة الزجاج، الذي كان يستخدم لتغطية مختلف أنواع السيراميك والأوعية المقاومة للماء وغيرها من المنتجات، وكذلك في زخرفتها.

تاريخ مهم في تاريخ اكتشاف هذا العنصر الكيميائي كان عام 1789. في ذلك الوقت تمكن الكيميائي والألماني بالولادة مارتن كلابروث من الحصول على أول يورانيوم معدني. وحصل العنصر الجديد على اسمه تكريما للكوكب الذي اكتشف قبل ثماني سنوات.

لمدة 50 عامًا تقريبًا، كان اليورانيوم الذي تم الحصول عليه في ذلك الوقت يعتبر معدنًا نقيًا، ومع ذلك، في عام 1840، تمكن الكيميائي الفرنسي يوجين ملكيور بيليجوت من إثبات أن المادة التي حصل عليها كلابروث، على الرغم من ملاءمتها علامات خارجية، ليس معدنًا على الإطلاق، بل أكسيد اليورانيوم. بعد ذلك بقليل، تلقى نفس بيليجو اليورانيوم الحقيقي - جدا معدن ثقيل رمادي. عندها تم تحديد الوزن الذري لمادة مثل اليورانيوم لأول مرة. تم وضع العنصر الكيميائي في عام 1874 من قبل دميتري مندليف في جدوله الدوري الشهير للعناصر، حيث قام مندليف بمضاعفة الوزن الذري للمادة. وبعد 12 عاما فقط ثبت تجريبيا أنه لم يكن مخطئا في حساباته.

النشاط الإشعاعي

لكن الاهتمام الواسع النطاق حقًا بهذا العنصر في الأوساط العلمية بدأ في عام 1896، عندما اكتشف بيكريل حقيقة أن اليورانيوم يصدر أشعة، والتي سميت على اسم الباحث - أشعة بيكريل. وفيما بعد، أطلقت إحدى أشهر العلماء في هذا المجال، ماري كوري، على هذه الظاهرة اسم النشاط الإشعاعي.

يعتبر التاريخ المهم التالي في دراسة اليورانيوم هو عام 1899: حيث اكتشف رذرفورد أن إشعاع اليورانيوم غير متجانس وينقسم إلى نوعين - أشعة ألفا وبيتا. وبعد مرور عام، اكتشف بول فيلار (فيلارد) النوع الثالث والأخير من الإشعاع المشع المعروف لنا اليوم - ما يسمى بأشعة جاما.

وبعد سبع سنوات، في عام 1906، أجرى رذرفورد، بناءً على نظريته عن النشاط الإشعاعي، التجارب الأولى، التي كان الغرض منها تحديد عمر المعادن المختلفة. وضعت هذه الدراسات الأساس، من بين أمور أخرى، لتشكيل النظرية والممارسة

انشطار اليورانيوم النووي

ولكن ربما الاكتشاف الأكثر أهمية، والتي بفضلها بدأ تعدين وتخصيب اليورانيوم على نطاق واسع للأغراض السلمية والعسكرية، هي عملية انشطار نواة اليورانيوم. حدث هذا في عام 1938، تم الاكتشاف من قبل الفيزيائيين الألمان أوتو هان وفريتز ستراسمان. في وقت لاحق، تلقت هذه النظرية تأكيدا علميا في أعمال العديد من الفيزيائيين الألمان.

كان جوهر الآلية التي اكتشفوها على النحو التالي: إذا قمت بتشعيع نواة نظير اليورانيوم 235 بنيوترون، فعند التقاط نيوترون حر، يبدأ في الانشطار. وكما نعلم جميعا الآن، فإن هذه العملية مصحوبة بإطلاق كمية هائلة من الطاقة. يحدث هذا بشكل رئيسي بسبب الطاقة الحركيةالإشعاع نفسه والشظايا النووية. والآن نعرف كيف يحدث انشطار نواة اليورانيوم.

ويعتبر اكتشاف هذه الآلية ونتائجها نقطة الانطلاق لاستخدام اليورانيوم للأغراض السلمية والعسكرية.

إذا تحدثنا عن استخدامه للأغراض العسكرية، فلأول مرة النظرية القائلة بأنه من الممكن تهيئة الظروف لعملية مثل التفاعل المستمر لانشطار نواة اليورانيوم (منذ التفجير) قنبلة نوويةفالأمر يحتاج إلى طاقة هائلة)، كما أثبت الفيزيائيان السوفييت زيلدوفيتش وخاريتون. ولكن من أجل خلق مثل هذا التفاعل، يجب تخصيب اليورانيوم، لأنه في حالته الطبيعية لا يمتلك الخصائص اللازمة.

لقد أصبحنا على دراية بتاريخ هذا العنصر، والآن دعونا نتعرف على مكان استخدامه.

تطبيقات وأنواع نظائر اليورانيوم

بعد اكتشاف عملية مثل التفاعل الانشطاري المتسلسل لليورانيوم، واجه الفيزيائيون سؤال أين يمكن استخدامها؟

يوجد حاليًا مجالان رئيسيان تستخدم فيهما نظائر اليورانيوم. هذه هي الصناعة السلمية (أو الطاقة) والجيش. يستخدم كل من الأول والثاني تفاعل نظير اليورانيوم 235، وتختلف طاقة الخرج فقط. ببساطة، في المفاعل النووي ليست هناك حاجة لإنشاء هذه العملية والحفاظ عليها بنفس القوة اللازمة لتفجير قنبلة نووية.

لذلك، تم إدراج الصناعات الرئيسية التي تستخدم تفاعل انشطار اليورانيوم.

لكن الحصول على نظير اليورانيوم 235 يشكل مهمة تكنولوجية معقدة ومكلفة إلى حد غير عادي، ولا تستطيع كل دولة أن تتحمل تكاليف بناء مصانع التخصيب. على سبيل المثال، للحصول على عشرين طناً من وقود اليورانيوم، الذي سيكون محتوى نظير اليورانيوم 235 فيه من 3-5%، سيكون من الضروري تخصيب أكثر من 153 طناً من اليورانيوم الطبيعي “الخام”.

ويستخدم نظير اليورانيوم 238 بشكل رئيسي في تصميم الأسلحة النووية لزيادة قوتها. وأيضًا، عندما يلتقط نيوترونًا مع عملية اضمحلال بيتا اللاحقة، يمكن أن يتحول هذا النظير في النهاية إلى بلوتونيوم 239، وهو وقود شائع لمعظم المفاعلات النووية الحديثة.

على الرغم من كل عيوب هذه المفاعلات (التكلفة العالية، وصعوبة الصيانة، وخطر وقوع حادث)، فإن تشغيلها يؤتي ثماره بسرعة كبيرة، وتنتج طاقة أكبر بما لا يقاس من محطات الطاقة الحرارية أو الكهرومائية الكلاسيكية.

كما سمح رد الفعل بإنشاء أسلحة نووية الدمار الشامل. وتتميز بقوتها الهائلة وتماسكها النسبي وحقيقة أنها قادرة على جعل مساحات كبيرة من الأراضي غير صالحة للسكن البشري. صحيح أن الأسلحة الذرية الحديثة تستخدم البلوتونيوم وليس اليورانيوم.

يورانيوم منضب

وهناك أيضًا نوع من اليورانيوم يسمى المنضب. يحتوي على مستوى منخفض جدًا من النشاط الإشعاعي، مما يعني أنه لا يشكل خطورة على البشر. ويستخدم مرة أخرى في المجال العسكري، على سبيل المثال، يتم إضافته إلى درع دبابة أبرامز الأمريكية لمنحها قوة إضافية. بالإضافة إلى ذلك، في جميع الجيوش ذات التقنية العالية تقريبًا، يمكنك العثور على جيوش مختلفة، بالإضافة إلى كتلتها العالية، فإن لديهم خاصية أخرى مثيرة للاهتمام للغاية - بعد تدمير القذيفة، تشتعل شظاياها وغبارها المعدني تلقائيًا. وبالمناسبة، تم استخدام مثل هذه القذيفة لأول مرة خلال الحرب العالمية الثانية. كما نرى، اليورانيوم عنصر وجد تطبيقًا في مجموعة واسعة من مجالات النشاط البشري.

خاتمة

وفقًا لتوقعات العلماء، سيتم استنفاد جميع رواسب اليورانيوم الكبيرة بالكامل بحلول عام 2030 تقريبًا، وبعد ذلك سيبدأ تطوير طبقاته التي يصعب الوصول إليها وسيرتفع السعر. بالمناسبة، فهو في حد ذاته غير ضار تمامًا بالناس - فقد كان بعض عمال المناجم يعملون على استخراجه لأجيال بأكملها. والآن نفهم تاريخ اكتشاف هذا العنصر الكيميائي وكيفية استخدام التفاعل الانشطاري لنواته.

بالمناسبة، هو معروف حقيقة مثيرة للاهتمام- مركبات اليورانيوم لفترة طويلةتستخدم كدهانات للبورسلين والزجاج (كان يطلق عليها حتى الخمسينيات من القرن الماضي.

في السنوات الأخيرة، أصبح موضوع الطاقة النووية ذا أهمية متزايدة. لإنتاج الطاقة النووية، من الشائع استخدام مادة مثل اليورانيوم. وهو عنصر كيميائي ينتمي إلى عائلة الأكتينيدات.

يحدد النشاط الكيميائي لهذا العنصر حقيقة أنه غير موجود في شكل حر. وتستخدم في إنتاجه تكوينات معدنية تسمى خامات اليورانيوم. إنهم يركزون مثل هذه الكمية من الوقود التي تسمح باعتبار استخراج هذا العنصر الكيميائي عقلانيًا ومربحًا اقتصاديًا. في الوقت الحالي، في أحشاء كوكبنا، يتجاوز محتوى هذا المعدن احتياطيات الذهب الموجودة فيه 1000 مرة(سم. ). وبشكل عام فإن رواسب هذا العنصر الكيميائي في التربة والبيئة المائية والصخور تقدر بأكثر من 5 مليون طن.

في الحالة الحرة، يكون اليورانيوم معدنًا رماديًا أبيض اللون، ويتميز بثلاثة تعديلات متآصلة: شبكات بلورية معينية ورباعية الأضلاع ومكعبة مركزية الجسم. نقطة غليان هذا العنصر الكيميائي هي 4200 درجة مئوية.

اليورانيوم مادة نشطة كيميائيا. في الهواء، يتأكسد هذا العنصر ببطء، ويذوب بسهولة في الأحماض، ويتفاعل مع الماء، لكنه لا يتفاعل مع القلويات.

يتم تصنيف خامات اليورانيوم في روسيا عادةً وفقًا لـ علامات مختلفة. في أغلب الأحيان يختلفون من حيث التعليم. نعم، هناك الخامات الداخلية والخارجية والمتحولة. في الحالة الأولى، هي تكوينات معدنية تتشكل تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة والرطوبة وذوبان البجماتيت. تحدث تكوينات معدن اليورانيوم الخارجية في الظروف السطحية. يمكن أن تتشكل مباشرة على سطح الأرض. يحدث هذا بسبب تداول المياه الجوفية وتراكم الرواسب. تظهر التكوينات المعدنية المتحولة نتيجة لإعادة توزيع اليورانيوم المشتت في البداية.

وفقا لمستوى محتوى اليورانيوم، يمكن أن تكون هذه التكوينات الطبيعية:

• فاحش الثراء (أكثر من 0.3%)؛
• غني (من 0.1 إلى 0.3٪)؛
• الأفراد (من 0.05 إلى 0.1%)؛
• الفقراء (من 0.03 إلى 0.05%)؛
• خارج الميزانية العمومية (من 0.01 إلى 0.03٪).

الاستخدامات الحديثة لليورانيوم

اليوم، يتم استخدام اليورانيوم في أغلب الأحيان كوقود محركات الصواريخوالمفاعلات النووية. ونظرًا لخصائص هذه المادة، فهي تهدف أيضًا إلى زيادة قوة السلاح النووي. وقد وجد هذا العنصر الكيميائي أيضًا تطبيقه في الرسم. يتم استخدامه بشكل فعال كأصباغ صفراء وخضراء وبنية وسوداء. ويستخدم اليورانيوم أيضًا في صنع النوى للقذائف الخارقة للدروع.

تعدين خام اليورانيوم في روسيا: ما هو المطلوب لذلك؟

يتم استخراج الخامات المشعة باستخدام ثلاث تقنيات رئيسية. إذا كانت رواسب الخام تتركز بالقرب من سطح الأرض قدر الإمكان، فمن المعتاد استخدام تقنية الحفرة المفتوحة لاستخراجها. أنها تنطوي على استخدام الجرافات والحفارات التي تقوم بحفر الثقوب حجم كبيروتحميل المعادن الناتجة في شاحنات قلابة. ثم يتم إرسالها إلى مجمع المعالجة.

عندما يكون هذا التكوين المعدني عميقا، فمن المعتاد استخدام تكنولوجيا التعدين تحت الأرض، والتي تنطوي على إنشاء منجم يصل عمقه إلى كيلومترين. التكنولوجيا الثالثة تختلف بشكل كبير عن التقنيات السابقة. يتضمن الترشيح تحت الأرض لتطوير رواسب اليورانيوم حفر الآبار التي يتم من خلالها ضخ حمض الكبريتيك إلى الرواسب. بعد ذلك، يتم حفر بئر آخر، وهو أمر ضروري لضخ المحلول الناتج إلى سطح الأرض. ثم يمر بعملية امتصاص، مما يسمح بتجمع أملاح هذا المعدن على راتينج خاص. المرحلة الأخيرة من تقنية SPV هي المعالجة الدورية للراتنج بحمض الكبريتيك. وبفضل هذه التكنولوجيا، يصبح تركيز هذا المعدن الحد الأقصى.

رواسب خام اليورانيوم في روسيا

تعتبر روسيا إحدى الدول الرائدة في العالم في مجال استخراج خامات اليورانيوم. على مدى العقود القليلة الماضية، تم تصنيف روسيا باستمرار بين أفضل 7 دول رائدة في هذا المؤشر.

أكبر رواسب هذه التكوينات المعدنية الطبيعية هي:

أكبر رواسب تعدين اليورانيوم في العالم - الدول الرائدة

تعتبر أستراليا الرائدة عالمياً في مجال تعدين اليورانيوم. يتركز أكثر من 30٪ من إجمالي احتياطيات العالم في هذه الولاية. أكبر الودائع الأسترالية هي السد الأوليمبي، بيفرلي، رينجر وهون مون.

المنافس الرئيسي لأستراليا هو كازاخستان، التي تحتوي على ما يقرب من 12٪ من احتياطيات الوقود في العالم. تحتوي كل من كندا وجنوب أفريقيا على 11% من احتياطي اليورانيوم في العالم، وناميبيا 8%، والبرازيل 7%. وتغلق روسيا المراكز السبعة الأولى بنسبة 5%. وتشمل قائمة القادة أيضًا دولًا مثل ناميبيا وأوكرانيا والصين.

أكبر رواسب اليورانيوم في العالم هي:

احتياطيات وحجم إنتاج خام اليورانيوم في روسيا

وتقدر احتياطيات اليورانيوم المستكشفة في بلادنا بأكثر من 400 ألف طن. في الوقت نفسه، الموارد المتوقعة أكثر من 830 ألف طن. اعتبارًا من عام 2017، كان هناك 16 رواسب لليورانيوم في روسيا. علاوة على ذلك، يتركز 15 منهم في ترانسبايكاليا. يعتبر المستودع الرئيسي لخام اليورانيوم هو حقل خام Streltsovskoe. في معظم الودائع المحلية، يتم الإنتاج باستخدام طريقة العمود.

• تم اكتشاف اليورانيوم في القرن الثامن عشر. وفي عام 1789، تمكن العالم الألماني مارتن كلابروث من إنتاج يورانيوم يشبه المعدن من الخام. ومن المثير للاهتمام أن هذا العالم هو أيضًا مكتشف التيتانيوم والزركونيوم.
• تستخدم مركبات اليورانيوم بنشاط في مجال التصوير الفوتوغرافي. يستخدم هذا العنصر لتلوين الإيجابيات وتعزيز السلبيات.
• الفرق الرئيسي بين اليورانيوم والعناصر الكيميائية الأخرى هو نشاطه الإشعاعي الطبيعي. تميل ذرات اليورانيوم إلى التغير بشكل مستقل مع مرور الوقت. وفي الوقت نفسه، تنبعث منها أشعة غير مرئية للعين البشرية. تنقسم هذه الأشعة إلى 3 أنواع - أشعة جاما وبيتا وألفا (انظر).