Уран и его соединения

метки: Металл, Реакция, Температура, Деление, Кристаллический, Структура, Нейтрон, Реагировать

Уран (устаревший вариант ураний) — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса 238,029; относится к семейству актиноидов[1].

Металлический уран в чистом виде представляет собой плотный блестящий металл серебристого цвета, на воздухе покрывающийся тонкой пленкой оксида. Металлический уран плохо проводит электричество, его электропроводность почти вдвое ниже, чем у железа. Теплоемкость металлического урана в 3,3 раза меньше, чем у меди, а теплопроводность примерно в три раза ниже, чем у нержавеющей стали, и в 13 раз — чем у меди. По магнитной восприимчивости он относится к парамагнитным элементам и может образовывать неферромагнитные сплавы.[2]

Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U, 235U и 234U.

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа U235 из природного урана — сложная технологическая проблема. 1 тонна обогащенного урана по тепловыделяющей способности равна 1 миллиону 350 тысячам тонн нефти или природного газа.[1]

В данной курсовой работе я ставлю перед собой 3 цели:

1) Рассмотрение способов получения урана.

2) Рассмотрение химических свойств этого металла.

3) Поиск информации о соединениях урана.

1. История открытия урана

Первая важная дата в истории урана — 1789 г., когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлеченную из саксонской смоляной руды золотисто-желтую «землю» до черного металлоподобного вещества. В честь самой далекой из известных тогда планет (открытой Уильямом Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном.

Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. француз Эжен Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а окисел UO2. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжелый металл серо-стального цвета.

Следующий важный шаг в изучении урана сделал в 1874 г. Д.И. Менделеев. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке свой таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Великий химик удвоил это значение. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана. Систематические исследования урана начались с 1896 г., после открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Беккерель выдерживал на свету тонкие кристаллы, положенные поверх фотопластинки, завернутой в черную бумагу. Между урановым препаратом и защитной бумагой он помещал металлические кольца, считая, что возбуждаемые солнечным светом Х-лучи легко пройдут сквозь бумагу, но будут задержаны металлом. В этом случае на пластинке должна появиться кольцевая тень. Опыты оказались успешными: после проявления на пластинке четко просматривались очертания кольца.

Разделение изотопов урана. Переработка обогащенного гексафторида урана

... недостатки газодиффузионного метода разделения изотопов: Недостаточная степень разделения Разрушение Ni-перегородки. Гексафторид урана медленно реагирует с металлическим никелем по формуле: ... изотопа урана-235. Существует множество методов разделения изотопов: Газодиффузионный; Центрифугирование; Дистилляция (ректификация) Электромагнитный Термодиффузионный Изотопный обмен Лазерное разделение ...

Как и Рентген, Беккерель решил, прежде всего, изучить проникающую способность невидимого излучения. Эта работа требовала многих опытов. Менялись металлические кольца, их расположение, время выдержки на солнце. Но в конце февраля настали ненастные дни, и приготовленные для опытов препараты и пластинки остались в ящике профессорского стола. Первого марта вновь засияло солнце, но пунктуальнейший Беккерель поставил фоновый опыт — «старые» пластинки пошли в проявитель. Силуэты урановых препаратов и металлических колец оказались даже более четкими, чем в прежних экспериментах. Стало ясно, что проникающее излучение никак не связано с фосфоресценцией, что оно существует независимо ни от чего — был бы уран. Или его соединение. В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли непредсказанное явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана 235U делится, при этом выделяется (в расчёте на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном, за счёт кинетической энергии осколков и излучения. Позднее теория этого явления была обоснована Лизой Мейтнер и Отто Фришем и независимо от них Готтфридом фон Дросте и Зигфридом Флюгге. Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

В 1939—1940 гг. Ю.Б. Харитон и Я.Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.[3]

2. Месторождения и распространённость в природе

Общие сведения. В ходе масштабных научных и геологических исследований второй половины XX в. установлено, что уран в природе достаточно распространен. По содержанию в кристаллических породах он занимает 48-е место среди других элементов. Его обнаружили даже в морской воде (в концентрации 150 мкг/ м 3) и в микроскопических количествах — в тканях растений, животных и человека. В земной коре его в тысячу раз больше, чем золота, в 30 раз больше, чем серебра, и почти столько же, сколько свинца и цинка. Он входит в состав примерно 200 различных минералов, а его концентрация в некоторых гранитах может представлять биологическую опасность. В целом же уран сильно рассеян в горных породах, почвах, растворен в микроколичествах в водах морей и океанов. Лишь относительно небольшая его часть сконцентрирована в месторождениях, экономически эффективных для промышленной добычи и использования в энергетических целях.

Урановые руды и минералы.

Минералы урана делят на первичные, образовавшиеся при формировании земной коры, и вторичные — те, что образовались на более поздних стадиях ее развития под действием тех или иных природных факторов. уран химический ядерный

Есть минералы урана окислы, есть силикаты, титанаты, тантало-ниобаты и т.д. Из первичных минералов-окислов наиболее известен настуран, он же урановая смолка или смоляная обманка. Обычно этому минералу приписывают формулу U3O8, но в действительности состав настурана переменен, и более точной представляется формула UO2,25. Обманкой этот минерал называют за переменчивость цвета: темно-серый, черный, зеленовато-черный. А смолкой — за то, что его зерна действительно похожи на капли застывшей смолы.

Из вторичных минералов распространен желто-зеленый отэнтит — гидратированный уранилфосфат кальция Ca(UO2)2(PO4)2

• 8H2O.[3]

Минерал	Основной состав минерала	Содержание урана, %
Уранинит	UO2, UO3 + ThO2, CeO2	65-74
Карнотит	K2(UO2)2(VO4)2·2H2O	~50
Казолит	PbO2·UO3·SiO2·H2O	~40
Самарскит	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6	3.15-14
Браннерит	(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15	40
Тюямунит	CaO·2UO3·V2O5·nH2O	50-60
Цейнерит	Cu(UO2)2(AsO4)2·nH2O	50-53
Отенит	Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Шрекингерит	Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O	25
Уранофан	CaO·UO2·2SiO2·6H2O	~57
Фергюсонит	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4	0.2-8
Торбернит	Cu(UO2)2(PO4)2·nH2O	~50
Коффинит	U(SiO4)(OH)4	~50

Мировые запасы урана. Месторождения урана открыты более чем в 40 странах мира. Суммарные запасы урана в них оцениваются в 30-40 млн т. Самыми крупными запасами располагают Австралия (27%), Казахстан (17%), Канада (15%).[4]

Получение урана.

Способов выделения урана из руд разработано великое множество. Причиной тому, с одной стороны, стратегическая важность элемента №92, с другой — разнообразие его природных форм. Но каков бы ни был метод, каково бы ни было сырье, любое урановое производство включает три стадии: предварительное концентрирование урановой руды, выщелачивание урана и получение достаточно чистых соединений урана осаждением, экстракцией или ионным обменом, Далее, в зависимости от назначения получаемого урана, следует обогащение продукта изотопом 235U или сразу же восстановление элементарного урана.

Самая первая стадия уранового производства — концентрирование. Породу дробят и смешивают с водой. Тяжелые компоненты взвеси осаждаются быстрее. Если порода содержит первичные минералы урана, то они осаждаются быстро: это тяжелые минералы. Вторичные минералы элемента №92 легче, в этом случае раньше оседает тяжелая пустая порода. (Впрочем, далеко не всегда она действительно пустая; в ней могут быть многие полезные элементы, в том числе и уран).

Следующая стадия — выщелачивание концентратов, перевод элемента №92 в раствор. На практике применяют кислотное и щелочное выщелачивание. Первое — дешевле, поскольку для извлечения урана используют серную кислоту. Но если в исходном сырье, как, например, в урановой смолке, уран находится в четырехвалентном состоянии, то этот способ неприменим: четырехвалентный уран в серной кислоте практически не растворяется. И либо нужно прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо предварительно окислять уран до шестивалентного состояния.

Не применяют кислотное выщелачивание и в тех случаях, если урановый концентрат содержит доломит или магнезит. Слишком много кислоты приходится тратить на их растворение, и в этих случаях лучше воспользоваться едким натром.

Проблему выщелачивания урана из руд быстро и эффективно решает кислородная продувка. В нагретую до 150°C смесь урановой руды с сульфидными минералами подают поток кислорода. При этом из сернистых минералов образуется серная кислота, которая и вымывает уран.

Из полученного раствора нужно избирательно выделить уран. Современные методы — экстракция и ионный обмен — позволили решить и эту проблему.

Раствор содержит не только уран, но и другие катионы. Некоторые из них в определенных условиях ведут себя так же, как уран: экстрагируются теми же органическими растворителями, оседают на тех же ионообменных смолах, выпадают в осадок при тех же условиях. Поэтому для селективного выделения урана приходится использовать многие окислительно-восстановительные реакции, чтобы на каждой стадии избавляться от того или иного нежелательного попутчика. На современных ионообменных смолах уран выделяется весьма селективно.

Методы ионного обмена и экстракции хороши еще и тем, что позволяют достаточно полно извлекать уран из бедных растворов, в литре которых лишь десятые доли грамма элемента №92.

Уран еще надо очистить от примесей с большим сечением захвата тепловых нейтронов — бора, кадмия, лития, редких земель. Их содержание в конечном продукте не должно превышать стотысячных и миллионных долей процента. Для удаления этих примесей технически чистое соединение урана растворяют в азотной кислоте.[3]

U3O8 + 8 HNO3 = 3 UO2(NO3)2 + 2 NO2 + 4 H2O [5]

При этом образуется уранилнитрат UO2(NO3)2, который при экстракции трибутил-фосфатом и некоторыми другими веществами дополнительно очищается до нужных кондиций.[3]

UO2(NO3)2 + 6 H2O + 2 (C4H9O)3PO = UO2(NO3)2 * 2(C4H9O)3PO + 6 H2O [5]

Затем это вещество кристаллизуют (или осаждают пероксид UO4·2H2O) и начинают осторожно прокаливать. В результате этой операции образуется трёхокись урана UO3, которую восстанавливают водородом до UO2.[3]

UO2(NO3)2 * 6 H2O = UO3 + 2NO2 + Ѕ O2 + 6 H2O

UO3 + H2 = UO2 + H2O [5]

Это вещество — предпоследнее на пути от руды к металлу. При температуре от 430 до 600°C оно реагирует с сухим фтористым водородом и превращается в тетрафторид UF4.[3]

UO2 + 4HF = UF4 + H2O

Именно из этого соединения обычно получают металлический уран. Получают восстановлением тетрафторида урана магнием в экзотермической реакции в «бомбе» — герметичном контейнере, обычно стальном, общая методика известна как «термитный процесс». Реакции в «бомбе» протекают при температурах, превышающих 1300°C. Прочный стальной корпус необходим, чтобы выдержать высокое давление внутри него. «Бомба» заряжается гранулами UF4 и в избытке засыпается тонко диспергированным магнием и нагревается до 500-700°C, с этого момента начинается саморазогревающаяся реакция. Теплоты реакции достаточно для расплавления начинки «бомбы», состоящей из металлического урана и шлака — фторида магния, MgF2. Шлак отделяется и всплывет вверх. Когда «бомба» охлаждается, получается слиток металлического урана, который, несмотря на содержание в нем водорода, подходит для топлива АЭС.

UF4 + 2Mg = U(металл) + 2MgF2

Металл получается и при восстановлении оксидов урана кальцием, алюминием или углеродом при высоких температурах; или электролизом KUF5 или UF4, растворенных в расплаве CaCl2 и NaCl. [5]

Физические свойства урана

Металлический уран в чистом виде представляет собой плотный блестящий металл серебристого цвета, на воздухе покрывающийся тонкой пленкой оксида. Металлический уран до плавления имеет три кристаллографические модификации.

]

Рис. 1

При комнатной температуре устойчива ромбическая б-фаза, которая состоит из «гофрированных» атомных слоёв, параллельных плоскости abc. В пределах слоёв, атомы тесно связаны, в то время, как прочность связей между атомами смежных слоёв намного слабее (Рис. 1).

Такая структура сильно анизотропна, и уран в этом отношении похож на мышьяк, сурьму и висмут, которые также имеют слоистые структуры. В случае б-урана расстояния между атомами в соседних гофрированных слоях намного больше (0,33 нм), чем между атомами внутри слоёв (0,28 нм).

В интервале 668о-775о существует в-уран. Тетрагонального типа решётка имеет слоистую структуру. При температуре выше 775о образуется г-уран с объёмноцентрированной кубической решёткой.

Температура плавления б-урана 1408о

Температура кипения — 4091о [6]

Химические свойства урана

Конфигурация внешней электронной оболочки атома Урана 7s26dl5f3. Уран относится к реакционноспособным металлам.[7]

Для урана, как и для многих d-элементов, характерны несколько положительных степеней окисления. Наиболее устойчива высшая степень окисления +6. В этом состоянии уран — полный электронный аналог элементов шестой группы, хотя значительная разница в радиусах ионов U6+ и W6+ делает сходство химии элементов лишь формальным (одинаковые составы высших оксидов, некоторых оксоанионов).

Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8.

При повышенной температуре уран легко реагирует с водяным паром:

U + 2 Н 2O = UO2 + 2 Н 2

Считается, что первоначальный продукт такого взаимодействия — гидрид урана UH3 затем реагирует с водой:

2 UH3 + 4 Н 2O = 2 UO2 + 7 Н 2

Гидрид урана представляет собой черный пирофорный порошок, образующийся при взаимодействии простых веществ:

• U + 3/2 Н 2 = UH3; (t=250 °С) [8]

Неметалл	Условия	Продукт
F2	20oC, бурно	UF6
Cl2	180oC для измельченного 500—600oC для компактного	Смесь UCl4, UCl5, UCl6
Br2	650oC, спокойно	UBr4
I2	350oC, спокойно	UI3, UI4
S	250-300oC спокойно 500oC горит	US2, U2S3
Se	250-300oC спокойно 500oC горит	USe2, U2Se3
N2	450-700oC то же под давлением N 1300o	UN1.75 UN2 UN
P	600-1000oC	U3P4
C	800-1200oC	UC, UC2

Продукт реакции галогенирования определяется природой галогена, соотношением реагентов и температурой:

• U + 3 F2 = UF6;
• U + 2 Вr2 = UBr4;

2 U + 5 Вr2 = 2 UBr5

Уран легко растворим в азотной кислоте:

U + 4 HNO3 = UO2(NO3)2 + 2 NO + 2 Н 2O

U + 4HCl(конц) = UCl4 + 2 H2

С растворами щелочей уран не взаимодействует.

3. Соединения урана. Гидриды урана

Металлический уран, нагретый до 250 °С — 300 °С реагирует с водородом образуя гидриды урана. При более высоких температурах гидрид урана обратимо отдаёт водород. Это свойство позволяет получить реакционноспособный порошок урана — хороший стартовый материал для синтеза карбида, нитрида или галогенов урана. Синтез гидрида урана (III) осуществляют по реакции:

2U +3H2 > 2UH3

а дейтерид урана (III) — по реакции:

2U +3D2 >2UD3

Образование UН 3 или UD3 зависит от парциальных давлений Н 3 или D3 соответственно и температуры.

UH3 и UD3, приготовленные при низком давлении, представляют собой мелкие черные порошки. При высоком давлении образуются волокнистые кристаллы до 6 мм длиной. Куски компактного UH3 имеют вид металла. Существуют две кристаллические модификации гидрида урана: б-форма, получаемая при сравнительно низких температурах, и в-форма, получаемая при температурах выше 250 °С. UH3 и UD3 сильно пирофорны. Растворимость водорода в уране меньше, чем в железе, однако по мере возрастания температуры растворимость повышается

Следовательно, в отливках урана может быть окклюдирован водород, растворившийся в расплавленном уране.

Равновесное содержание водорода в б-фазе урана составляет 2?10-4%, что соответствует 1 атому водорода на 2000 атомов урана, и мало изменяется с температурой.

При превращении б-урана в в-уран при 660°С происходит увеличение растворимости водорода до 8?10-4 %, при переходе в-урана в г-уран при 770°С величина растворимости повышается до 15?10-4 %. При температуре плавления урана (1133°С) значение растворимости водорода в уране достигает величины 28?10-4%.

Растворимость водорода в уране прямо пропорциональна квадратному корню из значения парциального давления водорода.

Галогениды урана

Галогениды урана — большой и важный класс соединений; они играют важную роль в реализации программ по атомной энергетике. Так, гексафторид урана используется в крупномасштабном разделении изотопов 235U и 238U; тетрахлорид урана играл аналогичную роль в крупномасштабном разделении этих изотопов электромагнитным методом. Тетрафторид урана является исходным соединением для получения металлического урана и гексафторида урана; тетрахлорид также входит как один из компонентов в состав топлива атомного реактора на расплавах солей.

Фториды урана

Получено шесть фторидов урана, из которых UF3, U4F17, U2F9 и UF4 считаются нелетучими, а UF6 летучим. Важнейшими из фторидов являются я UF4 и UF6.

Гексафторид урана был открыт Раффом и Хайнзельманом. Фторид урана (VI), UF6, образуется при различных реакциях, которые можно разделить на три группы: а) реакции с элементным фтором; б) реакции с использованием фторирующих веществ (фторидов галогенов, высших фторидов металлов); в) реакции, в которых не используются F2 или фторирующие вещества.

UО 3, U3О 8, UO2 или UF4 можно профторировать непосредственно фтором. Если пропустить струю фтора над лодочкой, содержащей исходное вещество, то при навесках в несколько десятков граммов выход продукта будет низким по двум причинам: 1) препарат спекается из-за повышения температуры на поверхности вещества в ходе реакции; 2) он покрывается слоем промежуточных легкоплавких фторидов UF5, U2F9 и U4F17. Поэтому для таких навеcок используют синтез в кипящем слое, для которого особенно пригоден UF4.

Фторирование оксида урана протекает по реакции:

• UO2 (1/3U3O8;
• UO3) + 3F2 = UF6 + nO2 (t>500°С, 370°С,400°С)

Реакция в кипящем слое осуществляется по уравнению:

• UF4 + F2 >UF6

или U3O8+ 9F2 = 3UF6 + 4O2

Для лабораторных целей удобно фторирование фторидом кобальта (III): UF4 + 2CoF3 >UF6 + 2CoF2

Есть методы синтеза, в которых не используются фтор и сильные фторирующие средства, но выходы в них значительно ниже. Примером является реакция: 2UF4 +O2 >UO2F2 +UF6

UF6 — бесцветные (серые) кристаллы с высоким коэффициентом преломления. Летучее соединение. Твозг= 56,5 °С; Тпл=64,5-64,8° (под давлением).

Кристаллическая структура ромбическая. UF6 чрезвычайно чувствителен к влаге, энергично реагирует с Н 2О с образованием UO2F2 и HF, а также с большим числом органических веществ и растворителей. Взаимодействует с большинством металлов, что осложняет способы его хранения. В качестве материалов сосудов для работы с UF6 пригодны: при нагревании Ni, монель и Pt, на холоду — еще и тефлон, абсолютно сухие кварц и стекло, медь и алюминий. UF6 бурно реагирует с алюминием с образованием тонкого слоя AlF3, который блокирует дальнейшую реакцию. При температурах 25-100°С образует комплексные соединения с фторидами щелочных металлов и серебра типа 3NaF?UF6, 3KF?2UF6.

Рис. 2 Кристаллическая структура гексафторида урана.

Кристаллическая структура гексафторида урана построена из правильных симметричных октаэдров. Рентгеновскими методами показано, что кристаллическая структура UF6 представляет собой типичную молекулярную решётку. Поведение UF6 близко к поведению идеального газа.

Элементы главной группы, твёрдые при комнатной температуре (например, щёлочноземельные металлы, B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, S, Se и Tc) взаимодействуют с UF6, образуя фториды, обычно высшие. Низшие фториды, например, PF3, SF4, MoF5 или WF4 могут фторироваться до высших. Низшие оксиды превращаются в оксид-фториды.

При работе с UF6 необходимо обращать внимание, что это — весьма токсичное вещество. С углеводородами и другими органическими веществами UF6 энергично реагирует, поэтому закрытые сосуды с UF6 могут взрываться. Нужно избегать попадания UF6 на кожу или другие ткани тела, так как образующийся при этом вследствие гидролиза фтороводород вызывает тяжелые ожоги, которые отягчаются дополнительным воздействием урана. UF6 реагирует с влагой воздуха с образованием тумана ядовитых UO2F2 и HF, поэтому надо особо остерегаться вдыхания паров UF6. Работу следует всегда проводить в закрытых системах, держать в готовности маски с фильтрами, защищающими от газообразных кислот.

UF5 существует в виде двух модификаций: б- (высокотемпературная) и в- (низкотемпературная).

Температура перехода б>в составляет 125°.

Простой способ основан на взаимодействии UCl6 или UCl5 с безводным HF:

UCl5 (UCl6) + 5HF = UF5 + 5HCl (+1/2 Cl2)

Может быть использовано сопропорционирование UF4 и UF6:

• UF4 +UF6 >2UF5

б-UF5 — вещество серовато-белого цвета. Кристаллическая структура тетрагональная. В вакууме выше 500° возгоняется, при 150° начинает диспропорционировать. Тпл=348° (под давлением UF6).

в-UF5 — вещество бледно-желтого цвета. Кристаллическая структура тетрагональная.

Фторид урана UF4

UF4 можно получить по реакциям:

• UO2 + 4HF >UF4 + 2H2O

UO3 + 2CCl2F2 >UF4 +Cl2 +COCl2 +CO2

UF4 — порошок от голубовато-зеленоватого до изумрудного цвета. Сублимацией в вакууме 10-6 мм рт. ст. при 1000° в молибденовой трубке получают темно-зеленые кристаллы. Тпл=960°; Ткип= ~1417°. Кристаллическая структура моноклинная. В химическом отношении UF4 является устойчивым, довольно неактивным соединением. В кислотах-окислителях растворяется с образованием соли уранила; быстро растворяется в горячем растворе Al(NO3)3 или AlCl3, а также в растворе борной кислоты, подкисленной H2SO4, HClO4 или HCl. С фторидами других металлов образует ряд малорастворимых двойных солей (MeUF6, Me2UF6, Me3UF7 и др.).

[6]

UF4 + 4NaOH(конц) = U(OH)4 + 4NaF

UF4 + 2M = U + 2MF2 M=(Mg, Ca)

UF4 * 2.5H2O = UF4 * H2O + 1.5 H2O (100°С) [9]

Фторид урана

UF4 + Al = UF3 + AlF (900°С)

3UF4 +U >4UF3

UF3 — чёрная, кристаллическая, похожая на кокс масса, в которой под микроскопом можно увидеть мелкие темно-красно-фиолетовые кристаллы. При нагревании выше 1200° диспропорционирует на UF4 и U. Кристаллическая структура гексагональная.

Оксиды урана

В системе U-О известны многочисленные соединения; некоторые из них существуют в виде нескольких модификаций. Система «уран — кислород» одна из самых сложных не только среди оксидных систем актинидов, но и среди всех известных оксидных систем. Три оксида урана — диоксид UO2, закись-окись U3O8 и триоксид UO3 известны уже более ста лет. Возможно существование монооксида UO, а также U4O9, U3O7, U2O5. Оксиды не являются стехиометрическими, и всуществует разнообразие нестехиометрических форм. В системе U-O существует нескольких фаз.

Фазы Плотность, г/см ³

UO 13,63

UO2 10,96

U4O9 11,16

U3O7 ___

U3O8 8,39

б-UO3 8,34

в-UO3 7,15

При изучении системы «уран-кислород» обнаружено несколько гомогенных областей с переменным составом урана и кислорода. Одна из таких областей лежит, например, между составами UO2 — UO2,25.

Существование стабильной фазы монооксида урана не доказано.

Оксид урана (II)

Монооксид урана встречается только в виде тонких пленок на уране или включений в металл. Это хрупкоевещество серого цвета с металлическим блеском. По различным данным, его плотность составляет 13,6 — 14,2 г/см 3. Монооксид имеет кубическую решетку типа NaCl. По мнению некоторых исследователей, при обычных условиях в свободном состоянии UO не существует. Основная трудность ее получения связана с тем, что она устойчива только при высоких температурах.

Оксид урана (VI)

Оксид урана (VI) UO3 существует в виде нескольких модификаций, получение которых зависит от условий проведения реакции: исходного вещества, суммарного давления в системе, парциального давления кислорода, температуры.

U3O8 + Ѕ O2 = 3UO3

Условия получения различных модификаций UO3.

Исходное соединение	Давление, бар	Температура, °С	Продукт реакции
UO3 (A)	40	470-500	б-UO3
U3O8, б-UO3	40	500-550	в-UO3
UO3 (A), б-, в-, д-, е-UO3	40	650	г-UO3

При нагревании UO4Е2H2O (отмытого), UO3Е2H2O, UO2C2O4Е3H2O и (NH4)4[UO2(СO3)3] до 400° в потоке кислорода получается UO3 (А); из непромытого UО 4Е2H2O можно приготовить б-UO3. Разложение (NH4)2U7O22 при 500° даёт в-UO3; UO2(NO3)3Е6H2O при 400-600° — г-UO3, а в-UO3ЕH2O при 375°С (>24 ч) — д-UO3. Оксид, названный е-UO3, образуется при нагревании U3O8 в потоке NO2 при 250-375°

Октаоксид триурана

Закись-окись U3O8 можно получить по реакции: 3UO2 +O2 >U3O8

Прокаливанием UO2, UO2(NO3)2, UO2C2O4Е3H2O, UO4Е2H2O, (NH4)2U2O7 и других соединений при 750°С на воздухе или в атмосфере кислорода (р=150-750 мм рт. ст.) получают стехиометрически чистый U3O8.

U3O8 — порошок, окраска которого меняется от чёрной до темно-зелёной; при сильном измельчении — оливково-зеленого цвета. Крупные кристаллы черного цвета, оставляют на фарфоре зеленые штрихи. [6]

U3O8 = 3UO2 + O2 (900°С -1500°С)

U3O8 + H2SO4 (конц, гор) = U(SO4)2 + 2UO2SO4 + 4H2O

U3O8 + HNO3 (конц, гор) = U(NO3)4 + 2UO2(NO3)2 + 4H2O

U3O8 + O2 = 6UO3 (500°С -550°С) [9]

Гептаоксид триурана

Гептаоксид триурана U3O7 стабилен до 200°С. Его можно получить осторожным окислением тонкоизмельчённого UO2:

3UO2 + Ѕ O2 = U3O7 (<200°С)

U3O7 — чёрный порошок. Идентифицируется рентгенографически. Выше 200°С разлагается до UO2. Кристаллические структуры: б-U3О 7- тетрагональная; в-U3O7 — тетрагональная.

Диоксид урана

Оксид урана (IV) UO2 можно получить восстановлением высших оксидов водородом:

• U3O8 + 2H2 >3UO2 + 2H2O UO2C2O4 Е3H2O + H2 >UO2 +CO +CO2 + 4H2O

Рис 3. Кристаллическая структура UO2 (уран — красные шарики).

Порошкообразный UO2 стехиометрического состава имеет коричневый цвет. При увеличении содержания кислорода в оксиде цвет изменяется от тёмно-коричневого до чёрного. Наилучший способ определения чистоты продукта — рентгенографический. Тпл=2875°С. В тиглях из тантала или вольфрама в вакууме или в атмосфере защитного газа может плавиться без разложения, при Тпл происходит заметное испарение. Не растворяется в разбавленной и концентрированной HCl, но хорошо растворяется в HNO3 с образованием уранилнитрата, а также в концентрированной H2SO4 при нагревании.

UO2 + 2H2SO4(конц) = U(SO4)2 + 2H2O

UO2 + 4HNO3(конц) = UO2(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

UO2 + 3F2 = UF6 + O2 (>500°С)

UO2 + Cl2 = (UO2)Cl2 (500°С) [9]

Деление ядер урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

Механизм деления

Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 4, а).

Рис 4. Механизм деления ядер урана.

После захвата ядром нейтрона, образуется промежуточное ядро (236 U ), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 4, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания г -кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 4, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два «осколка» (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.[10]

Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.[11]

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

[10]

Испускание нейтронов в процессе деления.

Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений. Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера. Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления. Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.

Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов.[11]

Спонтанное деление

спонтанным делением

Вероятность спонтанного деления растет с увеличением числа протонов в ядре. Эта вероятность зависит от параметра:

где Z — число протонов, а A — общее число нуклонов. При приближении значения этого параметра к 45 вероятность спонтанного деления стремится к единице, что накладывает ограничения на возможность существования сверхтяжелых ядер.

Для ядер таких элементов как уран и торий спонтанное деление является очень редким процессом; их ядра намного чаще распадаются по другим каналам распада (значение параметра Z2/A для ядер урана и тория порядка 35).

С увеличением показателя Z2/A вероятность спонтанного деления ядер быстро растёт. [14] Для всех существующих в природе ядер вероятность и соответственно скорость спонтанного деления очень малы. Лишь для самых тяжёлых из них скорости увеличиваются настолько, что могут быть определены экспериментально. [12]

Цепная реакция, Цепная реакция

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 5.

Рис. 5

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

Заключение

Элемент №92 занимает в современной жизни особое место. Главный элемент атомной энергетики и сырье для получения другого главного энергетического элемента — плутония, он причастен ко многим большим открытиям XX в. Уран оказал серьезное влияние и на многие аспекты нашего бытия, далекие от науки, в частности на международную политику.

Уран — это металл с таинственными свойствами. Он дает человеку ключ, который открывает потрясающую энергию атома. Природная радиоактивность урана лежит в основе широкого, порой удивительного использования его в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и биологии.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/uran-metall/

1. Третьяков, Ю.Д. Т. 3 : Химия переходных элементов. Кн. 2 : учебник для студ. высш. учеб. заведений / [Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов]. — М. : Издательский центр «Академия», 2007. — с. 361

2. Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. Пособие для вузов. 3-е изд., испр./Р.А. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л Андреева; Под ред. Р.А. Лидина. — М.: Химия, 2000. —с.