Исследование металла

Уран (U) - 92-й элемент периодической системы Д.И. Менделеева. Уран — слабо радиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцевитый металл. Уран был открыт в 1789 немецким химиком М. Г. Клапротом.
1. Общие физические свойства металла
1.1. Уран может существовать в виде трех аллотропных модификаций:
α-U, (стабильна до 667,7 °C), ромбическая сингония, пространственная группа C mcm, параметры ячейки a = 0,2858 нм, b = 0,5877 нм, c = 0,4955 нм, Z = 4 (рис 1, а);
β-U, (стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), тетрагональная сингония, пространственная группа P 42/mnm, параметры ячейки a = 1,0759 нм, c = 0,5656 нм, Z = 30;
γ-U, (существующей от 774,8 °C до точки плавления), кубическая сингония, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,3524 нм, Z = 2.
1.2. Плотность 19,05 г/см³ (при 273 К).
Температурный коэффициент линейного расширения 13.9∙10-6 К.
Удельная магнитная восприимчивость +1,72∙10-6 м3/кг.
Электрическое сопротивление 34·10-8 Ом/м.
1.3. Тпл = 1405,5 K, Ткип = 4018 K.
2. Общие химические свойства
2.1. 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f36d1
Атомы урана в соединениях проявляют валентность VI, V, IV, III, II. Уран относится к d-элементам. У атома урана отсутствует «провал электрона», так как «s-подуровень заполнен полностью», а на «d-подуровне» находится один электрон.
2.2. Уран образует следующие оксиды: диоксид урана, или оксид урана (IV) (UO2), Оксид урана (VI)-диурана(V) U3O8, триоксид урана, или оксид урана (VI) (UO3).
Оксид урана (IV) — неорганическое бинарное химическое соединение урана с кислородом — вещество тёмно-коричневого, почти чёрного, цвета. Химическая формула UO2. Широко используется как ядерное топливо в реакторах.
Температура плавления в зависимости от стехиометрического состава составляет от 2840 до 2875°C. Диоксид урана термодинамически устойчив при нагревании в вакууме или в восстановительной атмосфере до температуры 1600 °C и возгоняется без разложения.
Диоксид урана обладает сильными основными свойствами, не реагирует с водой и её парами до 300°C, не растворяется в соляной кислоте, но растворим в азотной кислоте, царской водке и смеси HNO3 и HF. При растворении в азотной кислоте происходит образование уранил-ионов UO2+:
UO2 + HNO3 = UO2(NO2)2 + NO2 + H2O
Диоксид урана можно получить восстановлением высших оксидов урана:
U2O8 + 2H2 = 3UO2 + 2H2O
Оксид урана (VI) - диурана (V) - неорганическое соединение урана с кислородом в котором металл имеет двойственную валентность: V (два атома) и (VI) (один атом). Брутто-формула - U3O8. Из всех соединений урана, встречающихся в природе, распространён наиболее широко: главный компонент основного рудного минерала урана — настурана. В свободном состоянии представляет собой зелёно-чёрное кристаллическое вещество. Термически и химически устойчивое соединение, из всех оксидов урана наиболее стабилен. Как и все соединения урана, слабо радиоактивен. Основной компонент урановых концентратов в составе топлива для ядерных реакторов.
Оксид урана (VI) — бинарное неорганическое соединение металла урана и кислорода с формулой UO3, от светло-жёлтых до оранжевых кристаллов или аморфное вещество, нерастворимое в воде, имеет характер амфотерного вещества.
Разлагается при 450-500оС:
6UO3 = 2U3O8 + O2
Реагирует с водой при кипячении, образуя гидроксид уранила:
UO3 + H2O = UO2(OH)2
Реагирует с кислотами, образуя соли уранила:
UO3 + 2HCl = UO2Cl2 + H2O
UO3 + H2SO4 = UO2SO4 + H2O
Реагирует с растворами щелочей, образуя диуранаты:
2UO3 + 2NaOH = Na2U2O7↓ + H2O
При сплавлении со щелочами образует уранаты:
UO2 + 2NaOH = Na2UO4 + H2O
Реагирует со фтором:
2UO3 + 6F2 = 2UF6 + 3O2
Гидроксид уранила — неорганическое соединение, гидроксид уранила с формулой UO2(OH)2 (урановая кислота H2UO4), тёмно-красные кристаллы или жёлтое аморфное вещество, нерастворимое в воде, образует кристаллогидрат.
Безводное основание получают сушкой кристаллогидрата:
UO2(OH)2∙H2O = UO2(OH)2 + H2O
Разлагается при нагревании:
UO2(OH)2 = UO3 + H2O
Реагирует с кислотами:
UO2(OH)2 + 2HCl = UO2Cl2 + 2H2O
С концентрированными растворами щелочей образует соли диуранаты:
2UO2(OH)2 + 2NaOH = Na2U2O7↓ + 3H2O
2.3. Уран относится к числу элементов, весьма предрасположенных к комплексообразованию. Известно большое число комплексных соединений как четырех-, так и шестивалентного урана. Большинство этих соединений относится к типу двойных солей, кристаллогидратов и внутрикомплексных солей.
Ион урана (IV) относится к числу комплексообразователей, характеризующихся большой величиной радиуса (r=1,05А); в этом отношении он близок к Th и Zr. В большинстве случаев уран (IV) проявляет координационное число, равное восьми. В сернокислом растворе могут присутствовать комплексы USO42+, U(SO4)32-, U(SO4)44- и др. Для комплекса USO42+ рассчитана константа образования, равная 3,3∙102 (при ионной силе м = 2 и температуре 25°С). Уран (IV) образует комплексы с хлорид-ионом типа UCl3+, UC122+, а также и С162-. В бромидном растворе существует только комплекс UBr3+. Существуют роданидные комплексы урана (IV): USCN3+ и U(SCN)22+ и, возможно, U(SCN)3+. Из фторидных комплексов известны UF5-, UOF3-, UF3+ и UF22+.
2.4. Химическая активность урана в обычной атмосфере приводит к образованию плёнки на его поверхности даже при комнатной температуре. Цвет этой плёнки и её толщина меняются за время от нескольких часов до нескольких дней и недель от светло-жёлтого через коричневый и фиолетовый до синего и чёрного.
Развитие поверхности, естественно, увеличивает скорость окисления. Но! Оксиды плохо пассивируют металл.
С азотом реакция взаимодействия начинается только при ~ 400 оС. При ~ 800 оС (когда уран присутствует в виде γ-фазы) скорость азотирования резко возрастает. Образуется нитрид близкий к U2N3. Оксидные плёнки блокируют взаимодействие с азотом. Нитридные покрытия также не защищают металл от дальнейшей коррозии.
Вода и водяной пар:
Холодная вода на компактный уран не действует.
U + 4H2O = U(OH)4 + 2H2↑ (t < 110oC)
При кипении начинается медленное взаимодействие.
U + 2H2O = UO2 + 2H2↑ (t > 110oC)
Выделяющийся водород ускоряет коррозию вследствие образования гидрида урана.
7U + 6H2O = 3UO2 + 4UH3↑ (t = 150-250oC)
Водяной пар вызывает катастрофическую коррозию.
2.5. Разбавленная серная кислота (до 3 М) не реагирует с компактным металлом даже при температуре кипения. Действие этих растворов аналогично действию воды на уран. При нагревании более концентрированные растворы серной кислоты взаимодействуют с ураном с образованием нормального сульфата четырёхвалентного урана. Горячая концентрированная серная кислота взаимодействует с ураном с образование бисульфата урана и продуктов восстановления серной кислоты (серы, сероводорода и диоксида серы).
Чистый металл растворяется в азотной кислоте с умеренной скоростью и образует нитрат уранила.
U + 8HNO3 = UO2(NO3)2 + 6NO2 + 4H2O
Урановая стружка, спеченный или спрессованный порошок или другие образцы с большой поверхностью могут окисляться азотной кислотой со взрывом.
Уран исключительно быстро реагирует с 12 н. соляной кислотой. В 6 н. кислоте реакция идёт всё ещё быстро, но 2 н. кислота действует на металл медленно. Вскоре после начала растворения заметна простым глазом красно-фиолетовая окраска трёхвалентного урана:
U + 3HCl = UCl3 + 3/2H2
U + 4HCl = UCl4 + 2H2
U3+ легко окисляется:
2U3+ + 2H+ + ½O2 = 2U4+ + H2O
Однако во всех случаях остаётся нерастворимый чёрный остаток (оксиды урана).
3. Применение в технике.
3.1. На данный момент добыча урана осуществляется на территории большого числа месторождений. В земном слое на глубине двадцати километров находится внушительное число тонн урановой руды, способной снабжать человечество топливом на множество столетий вперед. Уран добывают в 28 странах мира. Но основные мировые запасы принадлежат 10 государствам, которые делят 90% рынка.
Австралия. В этой стране находится 19 больших месторождений. Запасы U в них составляют 661 000 т (доля занимает 31,18% от всех мировых залежей).
Казахстан. Имеет 16 крупных точек добычи U. Объем залежей составляет 629 000 т, что составляет 11,81% от общей доли запасов в мире.
Урановая рудаРоссия. Доля РФ в мировой урановой промышленности равна 9,15%. Запасы U составляют 487 000 т. По прогнозам, добыча U увеличится до 830 тыс. тонн.
Канада. Запасы руды находится на отметке 468 000 т, что занимает 8,80% мирового рынка. Добыча урана составляет 9 тыс. тонн в год.
Нигер. Залежи урана в стране составляют 421 000 т, это 7,9% от общей доли мировых запасов. В 4 месторождениях добывают 4,5 тыс. тонн U в год.
ЮАР. Запасы U в стране составляют 297 000 т; что занимает около 6% доли мировых запасов. В ЮАР за год урана добывается 540 тонн.
Бразилия. Показатель страны равен 276700 тонн урановой руды. Добыча U за год составляет 198 тонн в год.
Намибия. Запасы урана в стране составляют 261 000 т. В Намибии есть четыре крупных месторождения U.
США. Общие запасы U в США составляют 207 000 т.
Китай. Показатель страны составляет 166 000 т. За год в КНДР добывается около 1,5 тыс. тонн урановой руды.
В России контроль над основными уранодобывающими активами осуществляет корпорация «Росатом». Она объединяет Международный горнорудный дивизион Uranium One и имеет портфель акций в США, Казахстане и Танзании.
3.2. Природный уран состоит из взаимодействия 3 изотопов: U238, U235, U234. На радиоактивные свойства металла влияют изотопы 238 и его дочерний нуклеотид 234. Благодаря присутствию в составе U именно этих атомов, уран используют при производстве топлива для атомных электростанций и ядерного оружия. Хотя активность U235 изотопа в 21 раз слабее, он способен сохранять цепную ядерную реакцию без сторонних активных элементов.
Помимо естественных изотопов, есть еще искусственные атомы U.
Их известно не менее 23 видов. Особого внимания заслуживает изотоп U233, образуется он при облучении тория-232 нейтронами и делится под влиянием тепловых нейтронов. Эта способность делает U233 оптимальным источником энергии для ядерных реакторов.
Классификация руды:
Под понятием природная урановая руда понимается минеральное образование с большой концентрацией урана. При разработке урановых месторождений, как правило, смежно получают другие радиоактивные металлы – радий и полоний. Породы, в которых содержится уран, могут различаться по своему составу. Структура пластов оказывает влияние на способ добычи ценного металла.
По условиям образования руды можно разделить на:
- эндогенные;
- экзогенные;
- метаморфогенные.
По типу минерализации урановые руды различают:
- первичные;
- окисленные;
- смешанные.
Классификация по размерам зерен:
- дисперсные (<0,015 мм);
- тонкозернистые (0,015–0,1 мм);
- мелкозернистые (0,1–3 мм);
- среднезернистые (3 до 25 мм);
- крупнозернистые (> 25 мм).
Ураносодержащая порода состоит из различных примесей, а именно различают:
- молибденовые;
- анадиевые;
- уран-кобальт-никель-висмут;
- моноруда.
Классификация по химическому составу:
- карбонатная;
- железно-окисная;
- силикатная;
- сульфидная;
- каустобиолевая.
Руда разделяется по способу обработки:
- содовый раствор, применяют в том случае, если в химическом составе руды присутствует карбонат;
- кислота используется для силикатных пород;
- метод доменной плавки применяют, если железо-окисная по своему составу.
Процент содержания урана в руде может быть разный. По этому признаку порода подразделяется на:
- бедную (< 0,1%);
- рядовую (0,25–0,1%);
- среднюю (0,5–0,25%);
- богатую (1–0,5%);
- очень богатую (>1% U).
Добывать уран имеет смысл, если его содержание в слое земли составляет не менее 0,5%. Если урана в слое породы менее 0,015%, его добыча осуществляется в качестве побочного продукта.
Способы добычи урановой руды.
Известно три основных способа добычи урана:
- открытый (или карьерный);
- шахтный (подземный);
- выщелачивающий.
Все эти способы зависят от многих факторов. Например, от глубины залежей породы, составу изотопов и т. д.
Способ открытой добычи применим в том случае, когда порода находится неглубоко, и чтобы ее добыть, достаточно вооружиться спецтехникой:
- самосвалами;
- бульдозерами;
- погрузчиками.
Карьерный способ добычи урана используется уже довольно давно. Из плюсов данного метода – минимальный риск облучения горняков. Но существенным минусом открытого способа является невосполнимый экологический урон участку земли, который находится в разработке.
Шахтный способ добычи более затратный, с материальной точки зрения. Для извлечения урана бурят шахты, глубиной до двух километров, если добычу производить глубже этой отметки, топливо получится очень дорогое. В любом случае горнодобывающие компании обязаны снарядить шахтеров всем сопутствующим оборудованием, защитой от радиации. И установить необходимые вентиляционные системы, способствующие выведению радона и снабжающие шахту свежим воздухом. На руднике металл извлекается из горного массива буровзрывным способом.
Выщелачивающий метод добычи урана считается оптимальным. В горной породе пробуриваются скважины, через которые закачивается раствор – выщелачивающий реагент, обладающий особым химическим составом. Он растворяется в недрах рудных залежей и насыщается соединениями ценного металла.
Далее, ураносодержащий раствор отправляется на поверхность и попадает на специальные обрабатывающие предприятия, где из него получают конечный продукт.
3.3. Металлический уран и его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах. Малообогащенная смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций. Продукт высокой степени обогащения — в ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах.
235U является источником ядерной энергии в ядерном оружии. Этот тип находит наибольшее применение.
238U служит источником вторичного ядерного горючего — плутония.
Основное применение урана в Геологии — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.
Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).
Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (урановое стекло).
Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.
Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).
В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.
Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.
Некоторые соединения урана светочувствительны.
Обеднённый уран. Такой уран используется для радиационной защиты и балластная масса в аэрокосмических применениях, таких как рулевые поверхности летательных аппаратов.
Для этих целей в самолёте «Боинг-747» содержится 1500 кг обеднённого урана.
Материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, при бурении нефтяных скважин.
Самое известное применение обеднённого урана — в качестве сердечников для бронебойных снарядов.
Впервые уран в качестве сердечника для снарядов был применен в Третьем рейхе.
Обеднённый уран используется в современной танковой броне (в боевом танке США [en] M-1 «Абрамс»), который стоит на вооружении армии и морской пехоты США, Египта, Саудовской Аравии, Кувейта и Австралии. Танк назван в честь генерала Крейтона Абрамса.
Список литературы:
1. Le, Fevre Cours De Chymie. Курс Химии / Le Fevre, Nicolas; Ле Февр, Николай. - М.: Paris: Chez Jean-Noel Leloup, 2017. - 212 c.
2. Thurneisser Megale Chimia. Высшая Химия / Thurneisser, Leonhardt; Турнейзер, Леонард. - М.: Berlin, Nicolaum Bolsen, 2018. - 172 c.
3. Ахметов, Н.С. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии / Н.С. Ахметов, М.К. Азимова, Л.И. Бадыгина. - М.: Высшая школа; Издание 4-е, испр., 2018. - 368 c.
4. Бусев, А.И. Определения, понятия, термины в химии / А.И. Бусев, И.П. Ефимов. - М.: Просвещение; Издание 2-е, перераб., 2017. - 224 c.
5. Власов, Л. Занимательно о химии / Л. Власов, Д. Трифонов. - М.: Молодая Гвардия, 2017. - 256 c.
6. Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л. Глинка. - Л.: Химия; Издание 26-е, стер., 2019. - 704 c.
7. Некрасов, Б.В. Краткий курс общей химии / Б.В. Некрасов. - М.: ОНТИ НКТП СССР; Издание 3-е, перераб., 2018. - 396 c.
8. Оллис, У.Д. Общая органическая химия / ред. Д. Бартон, У.Д. Оллис. - М.: Химия, 2018. - 788 c.
9. Перекалин, В.В. Органическая химия / В.В. Перекалин, С.А. Зонис. - М.: Просвещение, 2016. - 686 c.
10. Полинг, Л. Общая химия / Л. Полинг. - М.: Мир, 2018. - 584 c.
11. Реми, Г. Курс неорганической химии / Г. Реми. - М.: Иностранной литературы, 2018. - 920 c.
12. Рюмин, В.В. Занимательная Химия / В.В. Рюмин. - Л.: Ленинградский Университет, 2017. - 176 c.
13. Суворов, А.В. Общая химия / А.В. Суворов, А.Б. Никольский. - М.: СПб: Химия, 2018. - 624 c.
14. Ферсман, А.Е. Занимательная геохимия. Химия земли / А.Е. Ферсман. - М.: Детгиз; Издание 3-е, испр., 2016. - 488 c.
15. Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии / Ю.Г. Фролов. - М.: Химия, 2017. - 400 c.
16. Хомченко, И.Г. Общая химия / И.Г. Хомченко. - М.: Новая Волна, 2017. - 464 c.