Uraniu - școală de chimie
uraniu (numit după planeta Uranus) este un element chimic cu simbolul elementului U și numărul atomic 92. În tabelul periodic se află în grupul actinidelor (perioada a 7-a, blocul f). Uraniul este un metal ai cărui izotopi sunt toți radioactivi. Uraniul care apare în mod natural în minerale este format din aproximativ 99,3% din izotopul 238 U și 0,7% din 235 U.
Uraniul a căpătat o semnificație specială după descoperirea fisiunii nucleare în 1938: izotopul de uraniu 235 U poate fi fisionat de neutroni termici; Pe lângă extrem de rar 239 Pu, este singurul nuclid cunoscut în mod natural care este capabil de o reacție în lanț de fisiune nucleară. De aceea este folosit ca sursă primară de energie în centralele nucleare și armele nucleare.
poveste
Uraniul a fost izolat din mineralul pitchblende în 1789 de către profesorul și chimistul german de chimie Martin Heinrich Klaproth (1743-1817), care locuia atunci la Berlin. Acesta poartă numele după planeta Uranus (și astfel după zeul grec Uranos), care a fost descoperit cu opt ani mai devreme (1781) de Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822). La 24 septembrie 1789, Klaproth a anunțat descoperirea într-un discurs adresat Academiei de Științe din Prusia. Prima a fost descoperirea sa Uranit numit, 1790 apoi în Uraniu redenumit. Klaproth a făcut descoperirea sa în timp ce analiza minereul de la mina „Georg Wagsfort” din Wittigsthal lângă Johanngeorgenstadt din Saxonia. A tratat minereul cu acid și l-a încălzit puternic. Rezultatul a fost o pulbere neagră pe care a numit-o uraniu.
Klaproth identificase într-adevăr un element nou, dar ceea ce câștigase nu era elementul uraniu în sine, ci un oxid. Abia cincizeci de ani mai târziu, în 1841, francezul Eugène Peligot a reușit să extragă uraniu pur metalic. În prima jumătate a secolului al XIX-lea, uraniul a fost extras împreună cu alte minerale în St. Joachimsthal și în unele mine din Cornwall (Anglia).
Compușii de uraniu au fost folosiți pe tot parcursul secolului al XIX-lea pentru a colora sticla și ceramica pentru a da vazelor și obiectelor decorative, dar și obiectelor de zi cu zi, precum boluri, pahare etc., de culoare galben-verde (verde anna). Producătorii de sticlă din Joachimsthal (Boemia) au folosit această tehnică încă din 1826. Utilizarea uraniului pentru colorarea sticlei a continuat până la mijlocul secolului al XX-lea, abia apoi a fost înlocuit cu alte minerale colorante mai puțin discutabile. Glazurile din ceramică, de la portocaliu la roșu aprins, au fost folosite pentru orice, de la vase la accesorii arhitecturale.
Până la începutul secolului al XX-lea, azotatul de uranil a fost folosit în fotografie pentru nuanțarea maro și roșu a plăcilor de diapozitive, a imaginilor de platină și a imaginilor de argint bromurat. [7]
Riscurile pentru sănătate asociate cu utilizarea sau colectarea sticlei de uraniu și a ceramicii cu glazură de uraniu sunt încă un punct de dispută în rândul colecționarilor și oamenilor de știință.
Antoine Henri Becquerel a stabilit pentru prima dată că uraniul este radioactiv în 1896.
Uraniul a fost mult timp considerat a fi elementul cu cel mai mare număr atomic care apare în mod natural. Totuși, în 1971, au fost detectate cele mai mici urme ale izotopului plutoniului 244 Pu, astfel încât plutoniul a înlocuit uraniul ca ultimul element natural cunoscut. [A 8-a]
Apariție
Uraniul nu apare în mod natural în natură, ci întotdeauna în mineralele care conțin oxigen. Mineralele importante de uraniu includ brannerit și uraninit (oxizi), torbernit, heinrichit și carnotit (fosfați, arseniați și vanadați), precum și cufinit și uranofan (silicați). În total există aproximativ 230 de minerale de uraniu, care pot avea, de asemenea, o importanță economică locală. În depozitele sedimentare se pot forma și pseudomorfoze ale mineralelor de uraniu (în principal uraninită sub formă de pitchblendă) după lemn fosil sau bacterii. [9]
Cei doi factori decisivi pentru distribuția elementului radioactiv uraniu pe pământ sunt, pe de o parte, caracterul litofil al elementului și mobilitatea diferită a acestuia în soluții apoase în condiții de oxidare și reducere. Caracterul litofil asigură că uraniul se acumulează în topituri bogate în silicat. Prin urmare, magmatitele felsice precum granitul ca plutonitul sau riolitul ca vulcanitul conțin de obicei cele mai mari concentrații ale acestui element. Crusta continentală este zona pământului cu cele mai ridicate niveluri de uraniu în medie de 2,5 ppm, în timp ce scoarța oceanică și mantaua au ordine de magnitudine niveluri mai mici de uraniu. În rocile magmatice, uraniul este de obicei încorporat în minerale accesorii, cum ar fi zirconul sau monazitul, cu care, prin urmare, se poate datează foarte bine vârsta rocilor.
Solubilitatea diferită a uraniului în condiții de oxidare sau reducere în soluții este al doilea factor decisiv pentru distribuția elementului și joacă un rol major în formarea depozitelor de uraniu. În condiții de oxidare (UO2 2+), uraniul este relativ mobil în soluții apoase, în timp ce este puțin solubil în condiții de reducere (U 4+). Prin urmare, limitele redox sunt adesea factori de control al depozitului pentru element.
Pe baza factorilor de mai sus și a câtorva alții, există o gamă largă de depozite de uraniu, de la tipurile hidrotermale ignee la cele sedimentare. AIEA face diferența între tipurile individuale importante.
Cel mai mare conținut de uraniu este atins în depozitele legate de discordanță cu un conținut mediu de uraniu de 0,3 până la 20%. [10] Aceștia sunt în prezent cei mai mari doi producători de uraniu. Cea mai mare resursă de uraniu unic de pe pământ este barajul olimpic, cu un conținut dovedit de uraniu de peste 2 milioane de tone, cu un conținut mediu de uraniu de aproximativ 0,03%. [11] Prima mină de uraniu la scară industrială din lume din Jáchymov (Republica Cehă) produsă din vene hidrotermale. [12]
Reactoarele naturale din Oklo din Gabon, precum și un depozit de uraniu învecinat reprezintă o caracteristică specială: se știe că reacțiile în lanț s-au produs acolo cu aproximativ 1,5 până la 2 miliarde de ani în urmă cu mii de ani într-un mediu natural, timp în care s-au format și izotopi de plutoniu.
Uraniul apare ca un oligoelement în solul normal. Americanul Agenția pentru Registrul Substanțelor Toxice și al Bolilor (ATSDR) estimează că primii 33 cm ai solului într-o suprafață de un kilometru pătrat de teren conțin în medie aproximativ 4 tone de uraniu, adică aproximativ 1,5 tone pe kilometru pătrat.
Uraniul legat în complexe este, de asemenea, un element omniprezent în hidrosferă. Concentrația de uraniu în apa de mare este de aproximativ 3,3 µg/l comparativ cu concentrațiile uneori semnificativ mai mici din râuri (0,03 µg/l în Amazon până la 3,9 µg/l în Gange. Acest lucru arată că uraniul se acumulează în apa de mare Râurile germane au, de obicei, concentrații de uraniu cuprinse între aproximativ 1 și 3 µg/l. Sursa uraniului se află în structura geogenică a zonelor drenate de râuri, de exemplu, apele de suprafață din mlaștini pot conține concentrații mai mari de uraniu și este, prin urmare, de origine naturală. Numai în cazuri excepționale, nivelurile de uraniu din râuri sunt cauzate de influența umană, de exemplu, utilizarea îngrășămintelor cu fosfat care conține uraniu și extracția uraniului (Zwickauer Mulde: aproximativ 10 µg/l) 1 până la peste 100 µg/l. Consumul regulat de apă potabilă cu conținut crescut de uraniu poate duce la apariția cancerului la rinichi. Din acest motiv, Weltgesundhe recomandă autoritatea sa (OMS) a stabilit o valoare limită de 15 µg/l pentru apa potabilă. [13]
Potrivit Agenției Internaționale pentru Energie Atomică (AIEA), cele mai mari rezerve de minereu de uraniu se află în SUA, Niger, Australia, Kazahstan, Namibia, Africa de Sud, Canada, Brazilia, Rusia, Ucraina și Uzbekistan.
Urme de uraniu se găsesc și în cărbune tare și lignit. Cărbunele folosit anual pentru a genera electricitate la nivel mondial conține în jur de 10.000 de tone de uraniu și 25.000 de tone de toriu, care fie ajung în mediul înconjurător, fie se acumulează în cenușa centralei și în praful filtrant. În unele cazuri există, prin urmare, eforturi pentru extragerea uraniului din cenușa centralei electrice. [14]
Demontarea
În Germania, uraniul a devenit mai întâi convențional în Elveția saxonă (Königstein) și mai târziu prin levigare, în Dresda (Coschütz/Gittersee, în special în Gittersee) și în Munții Minereului (Schlema, Schneeberg, Johanngeorgenstadt, Pöhla) și în Turingia de Est (Ronneburg), în cea mai mare parte subterană ca pitchblende minat de bismutul SDAG. Cantități mici au fost extrase și în Pădurea Neagră și Munții Fichtel. La acea vreme, RDG era al treilea mare producător de uraniu din lume. Majoritatea zonelor miniere au fost închise după 1990, deoarece erau neeconomice și cererea de uraniu a scăzut, de asemenea. Aceasta din urmă s-a întâmplat din cauza schimbării situației politice mondiale (importanța mai mică a armelor nucleare strategice) și a prețului scăzut al pieței mondiale.
Producția mondială de uraniu în 2006 a fost de 39.603 tone. Principalele țări producătoare sunt Australia, Canada, Rusia, Niger, Namibia, Kazahstan, Uzbekistan, Africa de Sud și SUA. Consumul la nivel mondial a fost de 66.500 de tone în 2006 și este estimat de Agenția Internațională pentru Energie Atomică (AIEA) la 93.775 - 121.955 de tone în 2030 din cauza construcției de noi centrale nucleare. Mineritul acoperă aproximativ 60% din cererea actuală, restul fiind acoperit de stocuri, reprocesare și arme nucleare dezarmate. [15] Estimările AIEA, Greenpeace și industria nucleară cu privire la gama depozitelor de uraniu se bazează pe diferite informații despre resursele globale și consumul viitor. Au între 20 și 200 de ani. [16]
Exploatarea uraniului duce la deteriorarea oamenilor și a mediului, deoarece uraniul și produsele secundare radioactive (de exemplu radonul radioactiv cu gaze nobile) sunt eliberate și scoase la suprafață din subteran. [17]
prezentare
Prelucrarea minereului de uraniu
Minereuri de uraniu, de ex. B. uraninita (pitchblenda, U3O8) sau carnotita (KUO2VO4 1,5 H2O) sunt digerate acide cu acid sulfuric sau alcaline cu soda
Soluțiile formate după digestia acidă sunt tratate cu amoniac, după care precipită tortul galben. Acesta conține în principal diuranat de amoniu ((NH4) 2U2O7) și alți poliuranati, hidroxizi de uranil și sulfați. Soluția digestiei alcaline este amestecată cu NaOH, astfel încât diuranatul de sodiu (Na2U2O7) să precipite. Pentru a îndepărta sodiul, acesta este apoi dizolvat în H2SO4 și apoi precipitat ca (NH4) 2U2O7 cu NH3 apos.
"Tortul galben" este dizolvat în acid azotic (HNO3), prin care părțile insolubile precipită și sunt îndepărtate prin filtrare sau centrifugare. Azotatul de uranil brut (UO2 (NO3) 2) poate fi apoi cristalizat din soluție. O soluție de azotat de uranil este apoi extrasă cu fosfat de tributil (TBP) (proces PUREX), după evaporare și spălare se obține azotat de uranil pur.
Piroliza atentă duce la diferite modificări ale oxidului de uraniu (VI) (UO3), în funcție de temperatură și presiunea oxigenului. [18] [19] [20] Pentru a reduce greutatea în timpul transportului, "tortul galben" este descompus termic, rezultând U3O8 negru.