Съдържанието на статията

УРАН, U (уран), метален химичен елемент от семейството на актинидите, което включва Ac, Th, Pa, U и трансуранови елементи (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Уранът придоби известност поради използването му в ядрени оръжия и ядрена енергия. Урановите оксиди се използват и за оцветяване на стъкло и керамика.

Да бъдеш сред природата.

Съдържанието на уран в земната кора е 0,003%, като се намира в повърхностния слой на земята под формата на четири вида находища. Първо, това са вени от уранинит или уранова смола (уранов диоксид UO 2), много богата на уран, но рядка. Те са придружени от радиеви отлагания, тъй като радият е пряк продукт от изотопния разпад на урана. Такива вени има в Заир, Канада (Голямото мечо езеро), Чехия и Франция. Вторият източник на уран са конгломерати от торий и уранова рудазаедно с руди на други важни минерали. Конгломератите обикновено съдържат достатъчни количества злато и сребро за възстановяване, като уранът и торият са свързани елементи. Големи находища на тези руди се намират в Канада, Южна Африка, Русия и Австралия. Третият източник на уран са седиментни скали и пясъчници, богати на минерала карнотит (калиев уранил ванадат), който съдържа, освен уран, значително количество ванадий и други елементи. Такива руди има в западните щати на САЩ. Желязно-урановите шисти и фосфатните руди представляват четвърти източник на седименти. Богати находища има в шистите на Швеция. Някои фосфатни руди в Мароко и Съединените щати съдържат значителни количества уран, а фосфатните находища в Ангола и Централноафриканската република са още по-богати на уран. Повечето лигнити и някои въглища обикновено съдържат примеси на уран. Богати на уран лигнитни залежи са открити в Северна и Южна Дакота (САЩ) и битуминозни въглища в Испания и Чехия.

Отваряне.

Уран е открит през 1789 г. от немския химик М. Клапрот, който наименува елемента в чест на откриването на планетата Уран 8 години по-рано. (Клапрот беше водещият химик на своето време; той откри и други елементи, включително Ce, Ti и Zr.) Всъщност веществото, получено от Клапрот, не беше елементарен уран, а негова окислена форма, а елементарният уран беше получен за първи път от френският химик Е. .Пелиго през 1841 г. От момента на откриването до 20 век. уранът не е имал значението, което има сега, въпреки че много от него физични свойства, и атомна масаи плътност бяха определени. През 1896 г. А. Бекерел установява, че урановите соли имат радиация, която осветява фотографска плака на тъмно. Това откритие активира химиците към изследвания в областта на радиоактивността и през 1898 г. френските физици П. Кюри и М. Склодовска-Кюри изолират соли радиоактивни елементиполоний и радий, а Е. Ръдърфорд, Ф. Соди, К. Фаянс и други учени развиват теорията за радиоактивния разпад, която поставя основите на съвременната ядрена химия и ядрена енергия.

Първите употреби на уран.

Въпреки че радиоактивността на урановите соли беше известна, неговите руди през първата третина на този век бяха използвани само за получаване на придружаващ радий, а уранът се смяташе за нежелан страничен продукт. Използването му е съсредоточено главно в керамичната технология и металургията; Урановите оксиди бяха широко използвани за оцветяване на стъкло в цветове, вариращи от бледожълто до тъмнозелено, което допринесе за развитието на евтино производство на стъкло. Днес продуктите от тези индустрии се идентифицират като флуоресцентни под ултравиолетовите лъчи. По време на Първата световна война и малко след това уранът под формата на карбид е използван в производството на инструментални стомани, подобни на Mo и W; 4–8% уран замени волфрама, чието производство беше ограничено по това време. За получаване на инструментални стомани през 1914–1926 г. годишно се произвеждат няколко тона фероуран, съдържащ до 30% (маса) U. Тази употреба на уран обаче не продължи дълго.

Съвременни употреби на уран.

Урановата промишленост започва да се оформя през 1939 г., когато е извършено деленето на урановия изотоп 235 U, което води до техническото прилагане на контролирани верижни реакции на делене на уран през декември 1942 г. Това е раждането на ерата на атома , когато уранът се превърна от незначителен елемент в един от най-големите важни елементив живота на обществото. Военното значение на урана за производството на атомната бомба и използването му като гориво в ядрени реактори доведе до астрономическо увеличение на търсенето на уран. Интересна е хронологията на нарастването на търсенето на уран въз основа на историята на седиментите в Голямото мечо езеро (Канада). През 1930 г. в това езеро е открита смес от смола, смес от уранови оксиди, а през 1932 г. в тази област е създадена технология за пречистване на радий. От всеки тон руда (смолна смес) се получава 1 g радий и около половин тон страничен продукт, уранов концентрат. Радият обаче беше малко и добивът му беше спрян. От 1940 до 1942 г. разработката е възобновена и уранова руда започва да се транспортира до Съединените щати. През 1949 г. подобно пречистване на уран, с някои подобрения, е използвано за производството на чист UO 2 . Това производство се разрасна и сега е едно от най-големите съоръжения за производство на уран.

Имоти.

Уранът е един от най-тежките елементи в природата. Чистият метал е много плътен, пластичен, електроположителен с ниска електрическа проводимост и силно реактивен.

Уранът има три алотропни модификации: а-уран (орторомбична кристална решетка), съществува в диапазона от стайна температура до 668 ° C; b-уран (сложна кристална решетка от тетрагонален тип), стабилен в диапазона 668–774° C; ж-уран (кубична кристална решетка с тяло-центр), стабилен от 774°C до точката на топене (1132°C). Тъй като всички изотопи на урана са нестабилни, всички негови съединения проявяват радиоактивност.

Изотопи на урана

238 U, 235 U, 234 U се срещат в природата в съотношение 99,3:0,7:0,0058, а 236 U се среща в следи от количества. Всички останали изотопи на урана от 226 U до 242 U се получават по изкуствен път. Изотопът 235 U е особено важен. Под въздействието на бавни (топлинни) неутрони той се разделя, освобождавайки огромна енергия. Пълното делене на 235 U води до освобождаване на „еквивалент на топлинна енергия“ от 2H 10 7 kWh h/kg. Деленето на 235 U може да се използва не само за производство на големи количества енергия, но и за синтезиране на други важни актинидни елементи. Естественият изотоп на урана може да се използва в ядрени реактори за производство на неутрони, произведени от деленето на 235 U, докато излишните неутрони, които не са необходими за верижната реакция, могат да бъдат уловени от друг естествен изотоп, което води до производството на плутоний:

Когато 238 U се бомбардира с бързи неутрони, възникват следните реакции:

Според тази схема най-често срещаният изотоп 238 U може да се превърне в плутоний-239, който, подобно на 235 U, също е способен да се дели под въздействието на бавни неутрони.

В момента получено голямо числоизкуствени изотопи на уран. Сред тях 233 U е особено забележителен, тъй като той също се дели при взаимодействие с бавни неутрони.

Някои други изкуствени изотопи на урана често се използват като радиоактивни маркери в химически и физически изследвания; това е на първо място b- излъчвател 237 U и а- излъчвател 232 U.

Връзки.

Уранът, силно реактивен метал, има степен на окисление от +3 до +6, близък е до берилия в серията на активност, взаимодейства с всички неметали и образува интерметални съединения с Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Фино натрошеният уран е особено реактивен и при температури над 500 ° C често влиза в реакции, характерни за уранов хидрид. Еднократният уран или стружки горят ярко при 700–1000 ° C, а урановите пари изгарят вече при 150–250 ° C; уранът реагира с HF при 200–400 ° C, образувайки UF 4 и H 2 . Уранът се разтваря бавно в концентриран HF или H 2 SO 4 и 85% H 3 PO 4 дори при 90 ° C, но лесно реагира с конц. HCl и по-малко активен с HBr или HI. Най-активните и бързи реакции на уран с разреден и концентриран HNO 3 протичат с образуването на уранил нитрат ( виж отдолу). В присъствието на HCl уранът бързо се разтваря органични киселини, образувайки органични U 4+ соли. В зависимост от степента на окисление уранът образува няколко вида соли (най-важните от тях са с U 4+, една от тях UCl 4 е лесно окисляема зелена сол); ураниловите соли (радикал UO 2 2+) тип UO 2 (NO 3) 2 са жълти на цвят и флуоресцират зелено. Ураниловите соли се образуват чрез разтваряне на амфотерния оксид UO 3 (жълт цвят) в кисела среда. В алкална среда UO 3 образува уранати като Na 2 UO 4 или Na 2 U 2 O 7. Последното съединение („жълт уранил“) се използва за производството на порцеланови глазури и в производството на флуоресцентни стъкла.

Урановите халогениди са били широко изследвани през 1940-1950 г., тъй като са били използвани за разработване на методи за разделяне на уранови изотопи за атомната бомба или ядрения реактор. Уранов трифлуорид UF 3 се получава чрез редукция на UF 4 с водород и се получава уранов тетрафлуорид UF 4 различни начиничрез реакции на HF с оксиди като UO 3 или U 3 O 8 или чрез електролитна редукция на уранилни съединения. Урановият хексафлуорид UF 6 се получава чрез флуориране на U или UF 4 с елементарен флуор или чрез действието на кислород върху UF 4 . Хексафлуоридът образува прозрачни кристали с висок индекс на пречупване при 64 ° C (1137 mm Hg); съединението е летливо (при условия нормално наляганесублимира при 56,54° C). Уранови оксохалиди, например оксофлуориди, имат състав UO 2 F 2 (уранил флуорид), UOF 2 (ураниев оксид дифлуорид).

Уран е седмата планета в слънчева системаи третият газов гигант. Планетата е третата по големина и четвъртата по маса и е получила името си в чест на бащата на римския бог Сатурн.

Точно Уранимаше честта да бъде първата планета, открита през съвременна история. В действителност обаче първоначалното му откриване на планета не се случи. През 1781 г. астрономът Уилям Хершелдокато наблюдава звезди в съзвездието Близнаци, той забелязва определен дискообразен обект, който първоначално записва като комета, за което докладва на Кралското научно дружество на Англия. По-късно обаче самият Хершел беше озадачен от факта, че орбитата на обекта се оказа практически кръгла, а не елиптична, както е при кометите. Едва когато това наблюдение беше потвърдено от други астрономи, Хершел стигна до заключението, че всъщност е открил планета, а не комета, и откритието най-накрая беше широко прието.

След потвърждаване на данните, че откритият обект е планета, Хершел получава изключителната привилегия да му даде своето име. Без колебание астрономът избрал името на английския крал Джордж III и нарекъл планетата Георгиум Сидус, което в превод означава „Звездата на Джордж“. Името обаче никога не е получило научно признание и учените, в по-голямата си част,стигна до извода, че е по-добре да се придържаме към определена традиция при именуване на планетите от Слънчевата система, а именно да ги именуваме в чест на древните римски богове. Така Уран получава съвременното си име.

В момента единствената планетарна мисия, успяла да събере информация за Уран, е Вояджър 2.

Тази среща, която се състоя през 1986 г., позволи на учените да получат достатъчно голям бройданни за планетата и правят много открития. космически корабпредаде хиляди снимки на Уран, неговите луни и пръстени. Въпреки че много снимки на планетата показват малко повече от синьо-зеления цвят, който може да се види от наземни телескопи, други изображения показват наличието на десет неизвестни досега луни и два нови пръстена. В близко бъдеще не се планират нови мисии до Уран.

Поради тъмносиния цвят на Уран се оказа много по-трудно да се създаде атмосферен модел на планетата, отколкото модели на същото или дори . За щастие изображенията от космическия телескоп Хъбъл предоставиха по-широка картина. | Повече ▼ модерни технологииВизуализациите на телескопа позволиха да се получат много по-детайлни изображения от тези на Вояджър 2. Така благодарение на снимките на Хъбъл беше възможно да се установи, че на Уран има ширинни ленти, точно както на други газови гиганти. Освен това скоростта на вятъра на планетата може да достигне повече от 576 км/час.

Смята се, че причината за появата на монотонна атмосфера е съставът на най-горния й слой. Видимите слоеве облаци са съставени предимно от метан, който абсорбира тези наблюдавани дължини на вълните, съответстващи на червения цвят. Така отразените вълни са представени като сини и зелени цветове.

Под този външен слой от метан атмосферата се състои от приблизително 83% водород (H2) и 15% хелий, с малко метан и ацетилен. Този състав е подобен на други газови гиганти в Слънчевата система. Атмосферата на Уран обаче е поразително различна по друг начин. Докато атмосферите на Юпитер и Сатурн са предимно газообразни, атмосферата на Уран съдържа много повече лед. Доказателство за това са изключително ниските температури на повърхността. Като се има предвид факта, че температурата на атмосферата на Уран достига -224 ° C, тя може да се нарече най-студената атмосфера в Слънчевата система. Освен това наличните данни показват, че такива екстремни ниска температураприсъства около почти цялата повърхност на Уран, дори от страната, която не е осветена от Слънцето.

Уран, според планетарните учени, се състои от два слоя: ядрото и мантията. Настоящите модели предполагат, че ядрото е съставено главно от скала и лед и е около 55 пъти по-голямо. Мантията на планетата тежи 8,01 x 10 на степен 24 kg, или около 13,4 земни маси. Освен това мантията се състои от вода, амоняк и други летливи елементи. Основната разлика между мантията на Уран и Юпитер и Сатурн е, че тя е ледена, макар и не в традиционния смисъл на думата. Факт е, че ледът е много горещ и дебел, а дебелината на мантията е 5,111 км.

Какво е най-удивителното в състава на Уран и какво го отличава от другите наши газови гиганти? звездна система, е, че не излъчва повече енергия, отколкото получава от Слънцето. Предвид факта, че дори , който е много близък по размер до Уран, произвежда около 2,6 пъти повече топлина, отколкото получава от Слънцето, учените днес са много заинтригувани от такава слаба мощност, генерирана от Уран. В момента има две обяснения това явление. Първият показва, че Уран е бил изложен на масивен космически обект в миналото, което е накарало планетата да загуби голяма част от вътрешната си топлина (спечелена по време на формирането) в космоса. Втората теория гласи, че има някакъв вид бариера вътре в планетата, която не позволява на вътрешната топлина на планетата да излезе на повърхността.

Орбита и въртене на Уран

Самото откритие на Уран позволи на учените почти да удвоят радиуса на известната Слънчева система. Това означава, че средно орбитата на Уран е около 2,87 x 10 на степен 9 km. Причината за такова огромно разстояние е продължителността на преминаване на слънчевата радиация от Слънцето към планетата. Отнема около два часа и четиридесет минути, за да достигне слънчевата светлина до Уран, което е почти двадесет пъти повече, отколкото е необходимо на слънчевата светлина да достигне до Земята. Огромното разстояние също влияе върху продължителността на годината на Уран, тя продължава почти 84 земни години.

Орбиталният ексцентрицитет на Уран е 0,0473, което е само малко по-малко от това на Юпитер - 0,0484. Този фактор прави Уран четвъртата от всички планети в Слънчевата система по отношение на кръгова орбита. Причината за такъв малък ексцентрицитет на орбитата на Уран е, че разликата между неговия перихелий от 2,74 x 10 на степен 9 km и неговия афелий от 3,01 x 109 km е само 2,71 x 10 на степен 8 km.

Най-интересната точка за въртенето на Уран е позицията на оста. Факт е, че оста на въртене за всяка планета с изключение на Уран е приблизително перпендикулярна на тяхната орбитална равнина, но оста на Уран е наклонена почти на 98°, което на практика означава, че Уран се върти настрани. Резултатът от това положение на оста на планетата е, че северният полюс на Уран е на Слънцето през половината от планетарната година, а другата половина е на южния полюс на планетата. С други думи, през деняна едното полукълбо на Уран продължава 42 земни години, а нощният живот на другото полукълбо е същият. Учените отново цитират сблъсък с огромно космическо тяло като причина Уран да се „обърне на една страна“.

Имайки предвид факта, че най-популярните пръстени в нашата слънчева система дълго времеПръстените на Сатурн останаха; пръстените на Уран не можаха да бъдат открити до 1977 г. Това обаче не е единствената причина, има още две причини за такова късно откриване: разстоянието на планетата от Земята и ниската отразяваща способност на самите пръстени. През 1986 г. космическият кораб "Вояджър 2" успя да определи наличието на още два пръстена на планетата, в допълнение към известните по това време. През 2005 г. космическият телескоп Хъбъл забеляза още две. Днес планетарните учени знаят за 13 пръстена на Уран, най-яркият от които е пръстенът на Епсилон.

Пръстените на Уран се различават от тези на Сатурн в почти всяко отношение - от размера на частиците до състава. Първо, частиците, които изграждат пръстените на Сатурн, са малки, малко повече от няколко метра в диаметър, докато пръстените на Уран съдържат много тела с диаметър до двадесет метра. Второ, частиците в пръстените на Сатурн са направени предимно от лед. Пръстените на Уран обаче са съставени както от лед, така и от значителна част от прах и отломки.

Уилям Хершел открива Уран едва през 1781 г., защото планетата е твърде тъмна, за да бъде видяна от древните цивилизации. Самият Хершел първоначално вярваше, че Уран е комета, но по-късно преразгледа мнението си и науката потвърди планетарния статус на обекта. Така Уран стана първата планета, открита в съвременната история. Първоначалното име, предложено от Хершел, е "Звездата на Джордж" - в чест на крал Джордж III, но научната общност не го приема. Името "Уран" е предложено от астронома Йохан Боде в чест на древноримския бог Уран.
Уран се завърта около оста си веднъж на всеки 17 часа и 14 минути. Подобно на , планетата се върти в ретроградна посока, противоположна на посоката на Земята и останалите шест планети.
Смята се, че необичайният наклон на оста на Уран може да причини огромен сблъсък с друго космическо тяло. Теорията е, че планета, предполагаемо с размерите на Земята, се е сблъскала рязко с Уран, който е изместил оста си с почти 90 градуса.
Скоростта на вятъра на Уран може да достигне до 900 км в час.
Уран има маса около 14,5 пъти по-голяма от масата на Земята, което го прави най-лекият от четирите газови гиганта на нашата слънчева система.
Уран често е наричан "ледения гигант". Освен водород и хелий в горен слой(подобно на други газови гиганти), Уран също има ледена мантия, която заобикаля желязното му ядро. Горните слоеве на атмосферата се състоят от амоняк и ледени кристали метан, което придава на Уран характерния бледосин цвят.
Уран е втората планета с най-малка плътност в Слънчевата система след Сатурн.

Уранът е химичен елемент от семейството на актинидите с атомен номер 92. Той е най-важното ядрено гориво. Концентрацията му в земната кора е около 2 части на милион. Важни уранови минерали включват уранов оксид (U 3 O 8), уранинит (UO 2), карнотит (калиев уранил ванадат), отенит (калиев уранил фосфат) и торбернит (воден меден уранил фосфат). Тези и други уранови руди са източници на ядрено гориво и съдържат много пъти повече енергия от всички известни находища на изкопаеми горива, които могат да се възстановят. 1 kg уран 92 U осигурява същата енергия като 3 милиона kg въглища.

История на откритието

Химичен елементуранът е плътен, твърд метал със сребристо-бял цвят. Той е пластичен, ковък и може да се полира. Във въздуха металът се окислява и при смачкване се запалва. Провежда електричество сравнително слабо. Електронната формула на урана е 7s2 6d1 5f3.

Въпреки че елементът е открит през 1789 г. от немския химик Мартин Хайнрих Клапрот, който го е кръстил на наскоро откритата планета Уран, самият метал е изолиран през 1841 г. от френския химик Юджийн-Мелхиор Пелигот чрез редукция от ураниев тетрахлорид (UCl 4) с калий.

Радиоактивност

Създаването на периодичната таблица от руския химик Дмитрий Менделеев през 1869 г. фокусира вниманието върху урана като най-тежкия познат елемент, което остава до откриването на нептуния през 1940 г. През 1896 г. френският физик Анри Бекерел открива явлението радиоактивност в него. По-късно това свойство е открито в много други вещества. Вече е известно, че уранът, радиоактивен във всичките си изотопи, се състои от смес от 238 U (99,27%, период на полуразпад - 4 510 000 000 години), 235 U (0,72%, период на полуразпад - 713 000 000 години) и 234 U (0,006 %, полуживот - 247 000 години). Това позволява например да се определи възрастта на скалите и минералите, за да се изследват геоложките процеси и възрастта на Земята. За да направят това, те измерват количеството олово, което е крайния продуктрадиоактивно разпадане на уран. В този случай 238 U е началният елемент, а 234 U е един от продуктите. 235 U води до серията разпад на актиний.

Откриване на верижна реакция

Химическият елемент уран става обект на широк интерес и интензивно изследване, след като немските химици Ото Хан и Фриц Щрасман откриват ядрено делене в него в края на 1938 г., когато е бомбардиран с бавни неутрони. В началото на 1939 г. американският физик от италиански произход Енрико Ферми предполага, че сред продуктите на атомното делене може да има елементарни частици, способни да генерират верижна реакция. През 1939 г. американските физици Лео Силард и Хърбърт Андерсън, както и френският химик Фредерик Жолио-Кюри и техните колеги потвърждават тази прогноза. Последвалите проучвания показват, че средно 2,5 неутрона се освобождават, когато един атом се разпадне. Тези открития доведоха до първата самоподдържаща се ядрена верижна реакция (12/02/1942), първата атомна бомба(16.07.1945 г.), първото му използване по време на военни операции (06.08.1945 г.), първата атомна подводница (1955 г.) и първата пълномащабна атомна електроцентрала (1957 г.).

Състояния на окисление

Химическият елемент уран, като силен електроположителен метал, реагира с вода. Разтваря се в киселини, но не и в основи. Важни степени на окисление са +4 (както в UO 2 оксид, тетрахалиди като UCl 4 и зеления воден йон U4+) и +6 (както в UO 3 оксид, UF 6 хексафлуорид и уранил йон UO 2 2+). Във воден разтвор уранът е най-стабилен в състава на уранилния йон, който има линейна структура [O = U = O] 2+. Елементът също има състояния +3 и +5, но те са нестабилни. Червеният U 3+ се окислява бавно във вода, която не съдържа кислород. Цветът на UO 2+ йона е неизвестен, тъй като претърпява диспропорциониране (UO 2+ едновременно се редуцира до U 4+ и се окислява до UO 2 2+) дори в много разредени разтвори.

Ядрено гориво

Когато е изложен на бавни неутрони, деленето на урановия атом се случва в сравнително редкия изотоп 235 U. Това е единственият естествено срещащ се делящ се материал и трябва да бъде отделен от изотопа 238 U. Въпреки това, след абсорбция и отрицателен бета разпад, уранът -238 се превръща в синтетичен елемент плутоний, който се разделя под въздействието на бавни неутрони. Следователно естественият уран може да се използва в конверторни и размножителни реактори, в които деленето се поддържа от рядък 235 U и плутоний се произвежда едновременно с трансмутация на 238 U. Делящият се 233 U може да бъде синтезиран от широко разпространения естествен изотоп торий-232 за използване като ядрено гориво. Уранът също е важен като основен материал, от който се получават синтетични трансуранови елементи.

Други приложения на урана

Съединенията на химичния елемент преди са били използвани като багрила за керамика. Хексафлуорид (UF 6) е твърдос необичайно високо наляганепари (0,15 atm = 15 300 Pa) при 25 °C. UF 6 е химически много реактивен, но въпреки корозивния си характер в парообразно състояние, UF 6 се използва широко в методите за газова дифузия и газова центрофуга за производство на обогатен уран.

Органометалните съединения са интересна и важна група от съединения, в които връзките метал-въглерод свързват метала с органичните групи. Ураноценът е органоураново съединение U(C 8 H 8) 2, в което атомът на уран е поставен между два слоя органични пръстени, свързани с циклооктатетраен C 8 H 8. Откриването му през 1968 г. отваря нова област на органометалната химия.

Обедненият естествен уран се използва като радиационна защита, баласт, в бронебойни снаряди и броня на танкове.

Рециклиране

Химическият елемент, макар и много плътен (19,1 g/cm3), е относително слабо, незапалимо вещество. Всъщност металните свойства на урана изглежда го поставят някъде между среброто и други истински метали и неметали, така че той не се използва като строителни материали. Основната стойност на урана се крие в радиоактивните свойства на неговите изотопи и способността им да се делят. В природата почти целият (99,27%) метал се състои от 238 U. Останалото е 235 U (0,72%) и 234 U (0,006%). От тези естествени изотопи само 235 U се разпада директно чрез неутронно облъчване. Въпреки това, когато се абсорбира, 238 U образува 239 U, който в крайна сметка се разпада на 239 Pu, делящ се материал, който има голямо значениеза ядрена енергия и ядрени оръжия. Друг делящ се изотоп, 233 U, може да се образува чрез неутронно облъчване на 232 Th.

Кристални форми

Характеристиките на урана го карат да реагира с кислород и азот дори при нормални условия. С повече високи температурио, той реагира с широк обхватлегиращи метали, образуващи интерметални съединения. Образуването на твърди разтвори с други метали е рядкост поради специалните кристални структури, образувани от атомите на елемента. Между стайната температура и точката на топене от 1132 °C металният уран съществува в 3 кристални форми, известни като алфа (α), бета (β) и гама (γ). Трансформацията от α- в β-състояние става при 668 °C и от β в γ ​​при 775 °C. γ-уранът има центрирана кубична кристална структура, докато β има тетрагонална кристална структура. α фазата се състои от слоеве от атоми в силно симетрична орторомбична структура. Тази анизотропна изкривена структура не позволява на легиращите метални атоми да заменят атомите на урана или да заемат пространството между тях в кристалната решетка. Установено е, че само молибденът и ниобият образуват твърди разтвори.

Руда

Земната кора съдържа около 2 части на милион уран, което показва широкото му разпространение в природата. Смята се, че океаните съдържат 4,5 × 10 9 тона от този химичен елемент. Уранът е важна съставна част на повече от 150 различни минерала и незначителен компонент на други 50. Първичните минерали, открити в магмените хидротермални вени и пегматити, включват уранинит и неговия вариант наранена бленд. В тези руди елементът се среща под формата на диоксид, който поради окисление може да варира от UO 2 до UO 2,67. Други икономически значими продукти от уранови мини са аутунит (хидратиран калциев уранил фосфат), тобернит (хидратиран меден уранил фосфат), кофинит (черен хидратиран уран силикат) и карнотит (хидратиран калиев уранил ванадат).

Изчислено е, че повече от 90% от известните евтини запаси от уран се намират в Австралия, Казахстан, Канада, Русия, Южна Африка, Нигер, Намибия, Бразилия, Китай, Монголия и Узбекистан. Големи находища се намират в конгломератните скални образувания на езерото Елиът, разположено на север от езерото Хурон в Онтарио, Канада, и в южноафриканската златна мина Witwatersrand. Пясъчните образувания в платото Колорадо и басейна на Уайоминг в западната част на Съединените щати също съдържат значителни запаси от уран.

производство

Урановите руди се намират както в повърхностни, така и в дълбоки (300-1200 m) находища. Под земята дебелината на пласта достига 30 м. Както в случая с руди от други метали, уранът се добива на повърхността с помощта на голямо изкопно оборудване, а разработването на дълбоки находища се извършва от традиционни методивертикални и наклонени мини. Световното производство на уранов концентрат през 2013 г. възлиза на 70 хиляди тона.Най-продуктивните уранови мини се намират в Казахстан (32% от цялото производство), Канада, Австралия, Нигер, Намибия, Узбекистан и Русия.

Урановите руди обикновено съдържат само малки количества уран-съдържащи минерали и не могат да се топят чрез директни пирометалургични методи. Вместо това трябва да се използват хидрометалургични процедури за извличане и пречистване на урана. Увеличаването на концентрацията значително намалява натоварването на веригите за обработка, но нито един от конвенционалните методи за обогатяване, които обикновено се използват за обработка на минерали, като гравитация, флотация, електростатично и дори ръчно сортиране, не е приложим. С малки изключения тези методи водят до значителни загуби на уран.

Изгаряне

Хидрометалургичната обработка на уранови руди често се предшества от етап на високотемпературно калциниране. Изпичането дехидратира глината, премахва въглеродните материали, окислява серните съединения до безвредни сулфати и окислява всички други редуциращи агенти, които могат да попречат на последващата обработка.

Излугване

Уранът се извлича от печени руди чрез киселинни и алкални процеси водни разтвори. За да функционират успешно всички системи за извличане, химичният елемент трябва или първоначално да присъства в по-стабилна шествалентна форма, или да бъде окислен до това състояние по време на обработката.

Киселинното излугване обикновено се извършва чрез разбъркване на смес от руда и излугващ агент в продължение на 4-48 часа при заобикаляща среда. С изключение на специални случаи се използва сярна киселина. Доставя се в количества, достатъчни за получаване на крайната течност с pH 1,5. Схемите за извличане със сярна киселина обикновено използват манганов диоксид или хлорат за окисляване на четиривалентен U4+ до шествалентен уранил (UO22+). Обикновено приблизително 5 kg манганов диоксид или 1,5 kg натриев хлорат на тон са достатъчни за окисление на U 4+. И в двата случая окисленият уран реагира със сярна киселина, за да образува уранилсулфатен комплексен анион 4-.

Руда, съдържаща значителни количества основни минерали като калцит или доломит, се излугва с 0,5-1 моларен разтвор на натриев карбонат. Въпреки че са изследвани и тествани различни реактиви, основният окислител на урана е кислородът. Обикновено рудата се излугва на въздух при атмосферно наляганеи при температура 75-80 °C за период от време, който зависи от конкретния химичен състав. Алкалът реагира с урана, за да образува лесно разтворим комплексен йон 4-.

Разтворите, получени в резултат на киселинно или карбонатно излужване, трябва да бъдат избистрени преди по-нататъшна обработка. Мащабно разделяне на глини и други рудни суспензии се постига чрез използването на ефективни флокулиращи агенти, включително полиакриламиди, гума гуар и животинско лепило.

Екстракция

4- и 4-комплексните йони могат да бъдат сорбирани от техните съответни разтвори за извличане на йонообменна смола. Тези специални смоли, характеризиращи се с тяхната кинетика на сорбция и елуиране, размер на частиците, стабилност и хидравлични свойства, могат да се използват в различни технологииобработка, например във фиксиран и подвижен слой, чрез метод на йонообменна смола в кош и непрекъснат тип пулп. Обикновено за елуиране на сорбирания уран се използват разтвори на натриев хлорид и амоняк или нитрати.

Уранът може да бъде изолиран от кисели рудни течности чрез екстракция с разтворител. В промишлеността се използват алкилфосфорни киселини, както и вторични и третични алкиламини. Обикновено екстракцията с разтворител се предпочита пред йонообменните методи за киселинни филтрати, съдържащи повече от 1 g/L уран. Този метод обаче не е приложим за извличане на карбонати.

След това уранът се пречиства чрез разтваряне в азотна киселина, за да се образува уранил нитрат, екстрахира се, кристализира и се калцинира, за да се образува UO 3 триоксид. Редуцираният диоксид UO2 реагира с флуороводород, за да образува тетафлуорид UF4, от който металният уран се редуцира с магнезий или калций при температура от 1300 °C.

Тетрафлуоридът може да бъде флуориран при 350 °C, за да се образува UF 6 хексафлуорид, който се използва за отделяне на обогатен уран-235 чрез газова дифузия, газово центрофугиране или течна термична дифузия.

Статията говори за това кога е открит химическият елемент уран и в какви индустрии се използва това вещество в наше време.

Уранът е химичен елемент от енергетиката и военната промишленост

По всяко време хората са се опитвали да намерят високоефективни източници на енергия и в идеалния случай да създадат т.нар.За съжаление, невъзможността за съществуването му е теоретично доказана и оправдана още през 19 век, но учените все още никога не са губили надежда да реализират мечтата за някакъв вид устройство, което би било способно да доставя големи количества „чиста“ енергия за много дълго време.

Това беше частично реализирано с откриването на такова вещество като уран. Химическият елемент с това име формира основата за разработването на ядрени реактори, които в наше време осигуряват енергия на цели градове, подводници, полярни кораби и др. Вярно е, че тяхната енергия не може да се нарече „чиста“, но последните годиниМного компании разработват компактни „атомни батерии“ на базата на тритий за широка продажба - те нямат движещи се части и са безопасни за здравето.

В тази статия обаче ще разгледаме подробно историята на откриването на химичния елемент, наречен уран, и реакцията на делене на неговите ядра.

Определение

Уранът е химичен елемент, който има атомно число 92 в периодичната таблица на Менделеев. Атомната му маса е 238,029. Обозначава се със символа U. При нормални условия е плътен тежък метал със сребрист цвят. Ако говорим за неговата радиоактивност, тогава самият уран е елемент със слаба радиоактивност. Освен това не съдържа напълно стабилни изотопи. А най-стабилният от съществуващите изотопи се счита за уран-338.

Разбрахме какъв е този елемент и сега ще разгледаме историята на откриването му.

История

Вещество като естествения уранов оксид е известно на хората от древни времена и древните занаятчии са го използвали за направата на глазура, която е използвана за покриване на различни керамични изделия за водоустойчиви съдове и други продукти, както и за тяхната украса.

Важна дата в историята на откриването на този химичен елемент е 1789 г. Тогава химикът и германец по произход Мартин Клапрот успя да получи първия метален уран. И новият елемент получи името си в чест на планетата, открита осем години по-рано.

В продължение на почти 50 години уранът, получен по това време, се смяташе за чист метал, но през 1840 г. френският химик Юджийн-Мелхиор Пелигот успя да докаже, че материалът, получен от Клапрот, въпреки подходящи външни признаци, изобщо не е метал, а уранов оксид. Малко по-късно същият Пелиго получи истински уран - много хеви метъл сиво. Тогава за първи път беше определено атомното тегло на такова вещество като уран. Химическият елемент е поставен през 1874 г. от Дмитрий Менделеев в неговата известна периодична таблица на елементите, като Менделеев удвоява атомното тегло на веществото. И само 12 години по-късно експериментално е доказано, че той не е сбъркал в изчисленията си.

Радиоактивност

Но наистина широкият интерес към този елемент в научните среди започва през 1896 г., когато Бекерел открива факта, че уранът излъчва лъчи, които са наречени на името на изследователя - лъчи на Бекерел. По-късно един от най-известните учени в тази област Мария Кюри нарича това явление радиоактивност.

Следващата важна дата в изследването на урана се счита за 1899 г.: тогава Ръдърфорд открива, че излъчването на урана е нехомогенно и се разделя на два вида - алфа и бета лъчи. Година по-късно Пол Вилар (Villard) открива третия и последен вид радиоактивно лъчение, известно ни днес - така наречените гама лъчи.

Седем години по-късно, през 1906 г., Ръдърфорд, базирайки се на своята теория за радиоактивността, провежда първите експерименти, чиято цел е да се определи възрастта на различни минерали. Тези изследвания поставиха основата, наред с други неща, за формирането на теория и практика

Ядрено делене на уран

Но вероятно най-важното откритие, благодарение на който започва широко разпространен добив и обогатяване на уран както за мирни, така и за военни цели, е процесът на делене на урановите ядра. Това се случи през 1938 г., откритието беше извършено от немските физици Ото Хан и Фриц Щрасман. По-късно тази теория получи научно потвърждение в трудовете на още няколко немски физици.

Същността на механизма, който те откриха, беше следната: ако облъчите ядрото на изотопа на уран-235 с неутрон, тогава, улавяйки свободен неутрон, той започва да се дели. И както вече всички знаем, този процес е съпроводен с освобождаване на колосално количество енергия. Това се случва главно поради кинетична енергиясамата радиация и ядрени фрагменти. Така че сега знаем как се случва деленето на урановите ядра.

Откриването на този механизъм и резултатите от него са отправната точка за използването на уран както за мирни, така и за военни цели.

Ако говорим за използването му за военни цели, тогава за първи път теорията, че е възможно да се създадат условия за такъв процес като непрекъсната реакция на делене на ядрото на урана (тъй като за детонация ядрена бомбанеобходима е огромна енергия), доказват съветските физици Зелдович и Харитон. Но за да се създаде такава реакция, уранът трябва да бъде обогатен, тъй като в нормалното си състояние той не притежава необходимите свойства.

Запознахме се с историята на този елемент, сега нека да разберем къде се използва.

Приложения и видове уранови изотопи

След откриването на процес като верижната реакция на делене на урана, физиците бяха изправени пред въпроса къде може да се използва?

В момента има две основни области, в които се използват уранови изотопи. Това са мирната (или енергийната) индустрия и военните. И първият, и вторият използват реакцията на изотопа на уран-235, само изходната мощност се различава. Просто казано, в ядрен реактор няма нужда да се създава и поддържа този процес със същата мощност, каквато е необходима за взривяване на ядрена бомба.

И така, основните индустрии, които използват реакцията на делене на уран, са изброени.

Но получаването на изотопа на уран-235 е необичайно сложна и скъпа технологична задача и не всяка държава може да си позволи да построи фабрики за обогатяване. Например, за да се получат двадесет тона ураново гориво, в което съдържанието на изотопа уран 235 ще бъде от 3-5%, ще е необходимо да се обогатят повече от 153 тона естествен, „суров“ уран.

Изотопът уран-238 се използва главно при проектирането на ядрени оръжия за увеличаване на тяхната мощност. Освен това, когато улавя неутрон с последващия процес на бета разпад, този изотоп може в крайна сметка да се превърне в плутоний-239, обичайно гориво за повечето съвременни ядрени реактори.

Въпреки всички недостатъци на такива реактори (висока цена, трудна поддръжка, риск от авария), тяхната експлоатация се изплаща много бързо и те произвеждат несравнимо повече енергия от класическите топло или водноелектрически централи.

Реакцията позволи и създаването на ядрени оръжия масово унищожение. Отличава се с огромна сила, относителна компактност и способността да направи големи площи земя неподходящи за обитаване от хора. Вярно е, че съвременните атомни оръжия използват плутоний, а не уран.

обеднен уран

Има и вид уран, наречен обеднен. Има много ниско ниво на радиоактивност, което означава, че не е опасно за хората. Отново се използва във военната сфера, като например се добавя към бронята на американския танк Abrams, за да му придаде допълнителна здравина. Освен това в почти всички високотехнологични армии можете да намерите различни.Освен голямата си маса, те имат още едно много интересно свойство - след унищожаването на снаряд, неговите фрагменти и метален прах се самозапалват. И между другото, такъв снаряд е използван за първи път по време на Втората световна война. Както виждаме, уранът е елемент, който е намерил приложение в голямо разнообразие от области на човешката дейност.

Заключение

Според прогнозите на учените около 2030 г. всички големи находища на уран ще бъдат напълно изчерпани, след което ще започне разработването на труднодостъпните му слоеве и цената ще се повиши. Между другото, самият той е абсолютно безвреден за хората - някои миньори работят върху извличането му цели поколения. Сега разбираме историята на откриването на този химичен елемент и как се използва реакцията на делене на неговите ядра.

Между другото, известно е интересен факт- уранови съединения за дълго времеизползвани като бои за порцелан и стъкло (т.нар. до 1950 г.

През последните години темата за ядрената енергетика става все по-актуална. За производството на ядрена енергия е обичайно да се използва материал като уран. Това е химичен елемент, принадлежащ към семейството на актинидите.

Химическата активност на този елемент определя факта, че той не се съдържа в свободна форма. За производството му се използват минерални образувания, наречени уранови руди. Те концентрират такова количество гориво, което позволява извличането на този химически елемент да се счита за икономически рационално и изгодно. В момента в недрата на нашата планета съдържанието на този метал надвишава запасите от злато в 1000 пъти(см. ). Като цяло отлаганията на този химичен елемент в почвата, водната среда и скалите се оценяват на повече от 5 милиона тона.

В свободно състояние уранът е сиво-бял метал, който се характеризира с 3 алотропни модификации: ромбични кристални, тетрагонални и обемно центрирани кубични решетки. Точката на кипене на този химичен елемент е 4200 °C.

Уранът е химически активен материал. Във въздуха този елемент бавно се окислява, лесно се разтваря в киселини, реагира с вода, но не взаимодейства с алкали.

Урановите руди в Русия обикновено се класифицират според различни знаци. Най-често те се различават по отношение на образованието. Да, има ендогенни, екзогенни и метаморфогенни руди. В първия случай те са минерални образувания, образувани под въздействието на високи температури, влажност и пегматитни стопилки. Екзогенни уранови минерални образувания се срещат в повърхностни условия. Те могат да се образуват директно на повърхността на земята. Това се дължи на циркулацията на подземните води и натрупването на седименти. Метаморфогенните минерални образувания се появяват в резултат на преразпределението на първоначално разпръснатия уран.

Според нивото на съдържание на уран тези природни образувания могат да бъдат:

• супер богати (над 0,3%);
• богати (от 0,1 до 0,3%);
• редници (от 0,05 до 0,1%);
• лошо (от 0,03 до 0,05%);
• задбалансови (от 0,01 до 0,03%).

Съвременни употреби на уран

Днес уранът най-често се използва като гориво за ракетни двигателии ядрени реактори. Като се имат предвид свойствата на този материал, той също е предназначен да увеличи мощността на ядрено оръжие. Този химичен елемент също намери своето приложение в живописта. Той се използва активно като жълти, зелени, кафяви и черни пигменти. Уранът се използва и за направата на сърцевини за бронебойни снаряди.

Добив на уранова руда в Русия: какво е необходимо за това?

Добивът на радиоактивни руди се извършва по три основни технологии. Ако находищата на руда са концентрирани възможно най-близо до повърхността на земята, тогава е обичайно да се използва открита технология за тяхното извличане. Включва използването на булдозери и багери, които копаят дупки голям размери товарете получените минерали в самосвали. След това се изпраща в комплекса за обработка.

Когато тази минерална формация е разположена дълбоко, обичайно е да се използва технология за подземно копаене, която включва създаване на мина с дълбочина до 2 километра. Третата технология се различава значително от предишните. Подземното извличане за разработване на уранови находища включва пробиване на кладенци, през които сярна киселина се изпомпва в находищата. След това се пробива друг кладенец, който е необходим за изпомпване на получения разтвор на повърхността на земята. След това преминава през процес на сорбция, който позволява солите на този метал да бъдат събрани върху специална смола. Последният етап от SPV технологията е циклично третиране на смолата със сярна киселина. Благодарение на тази технология концентрацията на този метал става максимална.

Залежи на уранова руда в Русия

Русия се счита за един от световните лидери в добива на уранови руди. През последните няколко десетилетия Русия неизменно се нарежда сред 7-те водещи страни по този показател.

Най-големите находища на тези природни минерални образувания са:

Най-големите залежи за добив на уран в света - водещи страни

Австралия се счита за световен лидер в добива на уран. Повече от 30% от всички световни резерви са концентрирани в това състояние. Най-големите находища в Австралия са Олимпик Дам, Бевърли, Рейнджър и Хонемун.

Основният конкурент на Австралия е Казахстан, който съдържа почти 12% от световните запаси от гориво. Канада и Южна Африка съдържат по 11% от световните запаси на уран, Намибия - 8%, Бразилия - 7%. Русия затваря седемте с 5%. В списъка на лидерите са още страни като Намибия, Украйна и Китай.

Най-големите находища на уран в света са:

Запаси и обеми на производство на уранова руда в Русия

Проучените запаси от уран у нас се оценяват на над 400 хиляди тона. В същото време прогнозираните ресурси са повече от 830 хиляди тона. Към 2017 г. в Русия има 16 находища на уран. Освен това 15 от тях са съсредоточени в Забайкалия. Основното находище на уранова руда се счита за Стрелцовското рудно поле. В повечето местни находища производството се извършва по метода на шахтата.

• Уранът е открит още през 18 век. През 1789 г. немският учен Мартин Клапрот успява да произведе металоподобен уран от руда. Интересното е, че този учен е и откривател на титан и цирконий.
• Съединенията на урана се използват активно в областта на фотографията. Този елемент се използва за оцветяване на позитиви и подобряване на негативи.
• Основната разлика между урана и другите химични елементи е неговата естествена радиоактивност. Атомите на урана са склонни да се променят независимо с течение на времето. В същото време те излъчват невидими за човешкото око лъчи. Тези лъчи се разделят на 3 вида - гама, бета и алфа лъчение (виж).