Реферат: Получение оксидов урана

ПОЛУЧЕНИЕ ОКСИДОВ УРАНА

ВВЕДЕНИЕ

Из природных элементов для производства ядерной энергии и делящихся материалов в ядерных реакторах получили применение лишь уран и торий – тяжелые радиоактивные элементы, находящиеся в конце Периодической системы Д.И. Менделеева.

Уран – 92-й элемент Периодической системы Д.И. Менделеева, последний и самый тяжелый из существующих в природе. Это один из самых популярных в наши дни элементов, основа атомной энергетики, исходный материал для атомной и водородной бомб, для многочисленных тепловыделяющих элементов атомно-энергетических установок, атомных электростанций, атомных подводных лодок, атомных ледоколов.

В наше время уран помог раскрыть тайны атома, стал источником невиданной мощи. Он – основа «современной алхимии», превращения элементов и получения новых, невиданных, искусственных элементов – трансуранов.

Использование урана в атомной технике основано на замечательных специфических свойствах урана, отличных от свойств многих других цветных и редких металлов – радиоактивном распаде и способности расщепляться под действием нейтронов с выделением большого количества энергии. Акт распада ядра сопровождается также образованием продуктов распада – осколочных элементов средней части Периодической системы и нескольких нейтронов деления.

???????????? ????????? ????????, ????????? ???????? ?? ????????? ?????????, ???????? ?????? ????? U²³⁵ . ?????? ?????? ????? ? U²³⁸ , ? ????? ?????? ????? ? Th²³² ??????? ????????? ???? ?????????? ? ??????? ??????????. ??? ?????????? ?????????, ???????????? ??? ??????? ???? ?????, ?????? U²³⁸ ? Th²³² ????????? ????????? ??????? ???????:

В результате этих реакций образуются долгоживущие a-радиоактивные изотопы плутония и урана, обладающие способностью, подобно природному изотопу урана U²³⁵ , делиться медленными нейтронами. Таким образом, природный изотоп урана – U²³⁸ и изотоп тория Th²³² могут быть использованы в ядерных реакторах для получения делящихся материалов (U²³³ и Pu²³⁹ ) взамен израсходованного изотопа U²³⁵ .

Таково значение природных изотопов урана в ядерной энергетике. Оно связано с использованием урана для производства делящихся материалов и энергии при его взаимодействии с нейтронами. Это последнее обстоятельство объясняет совершенно определенные специфические требования к ядерному горючему, изготовляемому на основе урана, как с точки зрения чистоты, так и с точки зрения формы соединений, в виде которых уран применяется в ядерных реакторах. [1, 3]

I. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УРАНА

И ЕГО ВАЖНЕЙШИХ СОЕДИНЕНИЙ [2, 1]

Открытие. Важнейшие изотопы

Уран был открыт Клапротом в 1789 г. Восстановлением углем природной желтой окиси Клапрот получил черный порошок, который был принят им за элемент. Лишь в 1841 г. Пелиго установил, что элемент Клапрота представляет собой оксид металла. Элементарный уран Пелиго получил восстановлением его хлорида калием. Менделеев приписал урану атомную массу 240 и определил его положение в VI группе Периодической системы. Радиоактивность природного урана была открыта А. Беккерелем в 1896 г. Особое место среди химических элементов уран приобрел после открытия Ганом и Штрассманом деления его ядер (U²³⁵ ) под действием нейтронов. Уран – основной элемент ядерной энергетики.

Природный уран состоит из трех изотопов: U²³⁸ – 99,2739%, продукт его распада U²³⁴ – 0,0057% и актиноуран U²³⁵ – 0,7204%. Первый и последний являются родоначальниками семейств естественных радиоактивных элементов урана (тип ядра по массе 4n +2) и актиноурана (4n +3). Их периоды полураспада равны соответственно 4,51^. 10⁹ и 7,13^. 10⁸ лет. С помощью циклотрона и ядерного реактора в настоящее время получено 11 искусственных радиоактивных изотопов и 1 изомер урана. Наиболее важный из них – U²³³ (T _1/2 = 1,62^. 10⁵ лет), как и U²³⁵ способен к цепной реакции деления, поэтому является ядерным горючим.

Уран в природе

Уран довольно широко распространен в природе. По распространенности он занимает 38-е место. Среднее его содержание в земной коре составляет 4^. 10^-4 % (масс.). Основная масса урана находится в изверженных горных породах и почве. Лишь ничтожная часть урана сосредоточена в рудах. Так как при выветривании уран переходит в растворенное состояние, то в воде рек содержится от 5^. 10^-6 до 2^. 10^-8 % урана. Содержание его в водах океана составляет 1^. 10^-7 %.

Уран, наряду с первичными рудами магматического происхождения, образует вторичные осадочные рудные месторождения. Он содержится более чем в 100 различных минералах. Главные из них – окислы урана и смешанные соли ванадиевой, фосфорной, кремневой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важными первичными минералами промышленных месторождений являются уранинит и урановая смолка, а вторичным минералом – карнотит.

Физические свойства урана

Уран – блестящий металл, напоминающий по внешнему виду сталь. Он обладает полиморфизмом. Низкотемпературная a-фаза, существующая до 678 °С, пластична, имеет ромбическую решетку. Плотность a-урана равна 19,05 г/см³ . Он обладает относительно высокой температурой плавления (1132 °С) и кипения (4690 °С).

Хрупкая тетрагональная b-фаза с плотностью 18,13 г/см³ устойчива в пределах температур 678–775 °С и имеет сложное строение. Она переходит в мягкую g-фазу, имеющую объемноцентрированную кубическую решетку и плотность 17,91 г/см³ .

Атомный радиус урана равен 1,54Å. Электропроводность близка к электропроводности железа. Ниже 1 К уран становится сверхпроводником.

Химические свойства урана

Уран – активный химический элемент. Он реагирует практически со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. В ряду напряжения он стоит вблизи алюминия и бериллия.

На воздухе уран покрывается оксидной пленкой, которая не предохраняет его от дальнейшего окисления. Порошкообразный металл пирофорен. Компактный металл при нагревании на воздухе горит. При окислении урана образуются UO₂ и U₃ O₈ .

Уран бурно реагирует с кипящей водой и водяным паром с выделением водорода, который образует с ураном гидрид:

Это заставляет предохранять уран в ядерных реакторах от действия воды. При нагревании уран реагирует со всеми галогенами, азотом с образованием нитридов, углеродом с образованием карбидов, серой с образованием сульфида и фосфором с образованием фосфида.

С большинством металлов уран образует интерметаллические соединения. При растворении в кислотах проявляет степени окисления +3, +4 или +6. Уран растворим в азотной соляной и серной кислотах. Органические кислоты растворяют металл только в присутствии небольших количеств соляной кислоты. Щелочи на уран не действуют, но щелочные растворы перекиси водорода растворяют металлический уран с образованием перуранатов.

Уран в растворе

В водном растворе уран образует ионы со степенями окисления +3, +4, +5 и +6. Ионы урана гидратированы и гидролизованы. Уран (III) в растворе находится в виде ионов U³⁺ . Он неустойчив и вступает в реакцию с водой:

Уран (IV) в растворе находится в виде ионов U⁴⁺ , которые получаются при растворении тетрагалогенов урана или в результате окисления U³⁺ . U⁴⁺ -ион неустойчив в растворах, но сильно гидролизован и гидратирован:

При дальнейшем гидролизе образуются полиядерные соединения вида . В кислых растворах гидролиз подавляется.

Действием соответствующих реагентов из раствора, содержащего U⁴⁺ , выделяются малорастворимые фторид, иодат, оксалат, пирофосфат, гипофосфат, купферонат, гидроксид U^IV .

Уран (VI), благодаря высокому заряду и сравнительно небольшому радиусу иона U⁵⁺ не может существовать в виде простого иона и в растворе образует оксикатион ураноил UO₂ ⁺ . Он малоустойчив, стабилен лишь при pH = 2,5; при больших pH идет гидролиз, при меньшем – диспропорционирование:

Кроме того, имеет место гидролиз UO₂ ⁺ . Гидроксид UO₂ OH ^. x H₂ O амфотерен. U^VI устойчив в неводных растворах.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--