Свойства урана

ЗАДАНИЕ

1. Описать свойства элемента;

a. способы получения;

b. Использование, назначение;

c. Изобразить все его полиморфные модификации, элементарную ячейку.

d. Указать сингонию;

e. Указать основные осевые трансляции а, b, с и осевые углы α, β, γ. Элемент Уран(U)

2. Выполнить развертку фигуры (формат  А2). Указать плоскости (любые). Материал: бумага (цветная), картон; глина (полимерная); металл, ткань, пластик.

Оглавление

Введение.

Элемент уран был открыт в 1789 г. М. Г. Клапротом в ходе исследования смоляной руды Саксонских месторождений.

 Необычное  новое «полуметаллическое вещество»  было названо ураном в честь  открытой в 1781 г. планеты Уран. Клапрот и следующие за ним два поколения химиков считали, что это вновь открытое вещество представляет металлический уран. Однако в 1841 г. Е. Пелиго показал, что полученное Клапротом вещество в действительности является окислом урана UO2. Пелиго затем удалось получить металлический уран восстановлением тетрахлорида урана калием. Можно считать поэтому, что основоположником химии урана является Пелиго.

Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 году Д. И. Менделеев пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский химик Г. Сиборг пришел к выводу, что эти элементы (актиноиды) правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом №89 актинием. Такое расположение связано с тем, что у актиноидов происходит достройка 5f-электоронного подуровня. В 1896 г. Беккерель впервые обнаружил явление радиоактивности на уране. Это важное открытие стимулировало интерес к урану, который сохранился и по настоящее время.

Уран играет главную роль в разрешении проблемы ядерной энергии. Изотоп U235 имеет большое значение, так как он — единственный природный изотоп, способный к делению на медленных нейтронах. Искусственный трансурановый элемент плутоний, также делящийся на медленных нейтронах, получен поглощением нейтронов изотопом U238 с двумя последующими превращениями, ведущими к образованию Рu239.

Из всех актинидов уран был известен в течение наибольшего времени, и его исследования ведутся уже свыше 150 лет.

Целью данной курсовой работы является исследование строения и основных свойств урана. Для реализации цели в работе выполнены следующие задачи:

• изучены физические, химические, технологические, механические свойства урана;
• изучены полиморфные модификации урана и рассмотрено строения элементарной ячейки;
• рассмотрены способы получения урана;
• изучено использование и назначение урана.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Общие сведения  и способы получения урана.

Уран — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса — 238,029; обозначается символом U (лат. Uranium), относится к семейству актиноидов. При нормальных условиях — металл. Уран — слаборадиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. Самым распространенным изотопом урана является уран-238 (имеет 146 нейтронов, составляет 99,3 % из всего урана в природе) и уран-235 (143 нейтрона, ≈0,7 % всего урана, найденного в природе).

Уран широко распространен в природе. По наиболее надежной оценке, среднее содержание урана в земной коре составляет 4 • 10-6 г/г породы. Содержание урана в породах колеблется от 0,2 • 10_6 до 25 • 10-6 г/г, причем наибольшие его количества встречаются в кислых (с высоким содержанием окиси кремния) породах, например в граните. Сравнительно небольшие количества урана находятся в основных базальтовых породах, подобных тем, которые слагают дно океана. Различные соображения приводят к выводу о том, что на глубине ниже 40 км от земной поверхности уран отсутствует. Количество урана в первом 20-километровом слое литосферы оценивают в 1014 т. В осадочных породах обычно присутствуют лишь незначительные количества урана. В морской воде содержание урана составляет около 1/2000 его содержания в равном по весу количестве горных пород.

Хотя уран обычно рассматривают как один из редких элементов, в действительности он присутствует в земной коре в значительно больших количествах, чем такие «обыкновенные» элементы, как кадмий, висмут, ртуть, серебро и иод. Однако простого соотношения между средним содержанием элемента в земной коре и вероятностью обнаружения экономически важных его месторождений не существует. Несмотря на наличие многочисленных широко распространенных урановых минералов, только два из них — урановая смоляная руда и карнотит — имеют промышленное значение, но значительные месторождения их встречаются весьма редко. Урановая смоляная руда представляет двуокись урана, однако большинство ее образцов содержит значительно больше кислорода, что связано с возрастом и выветриванием окисла. Карнотит представляет комплексный ванадат уранила и калия.

Наиболее важными источниками урана являются месторождения урановой смоляной руды Бельгийского Конго и Канады (район Большого Медвежьего озера, Северозападная территория). Значительно меньшие месторождения урановой смоляной руды находятся в Чехословакии и еще меньшие залежи найдены в Англии, Восточной Африке, Австралии, США, СССР и континентальной Европе. Другой важный источник урана карнотитовые месторождения на юго-западе Колорадо и северовостоке Юта. Эти месторождения неоднородны по составу, но в целом содержат значительные количества урана и ванадия с большим преобладанием ванадия по отношению к урану. Интерес, проявляемый к урану в последнее время, стимулировал геологические изыскания, в результате которых отовсюду поступают сообщения об открытии урановых месторождений. В настоящее время эти сообщения трудно оценить, однако можно полагать, что в результате тщательных поисков будут найдены значительные месторождения урана.

Извлечение урана из руд обычно представляет довольно сложную задачу, поскольку в большинстве урановых руд отмечается большое разнообразие сопровождающих металлов. Для извлечения урана руду размельчают и обрабатывают кислотой, после чего уран выделяют при помощи ряда реакций осаждения.

1.2 Получение

Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на γ-излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом Урана в кислый раствор в виде UО2SO4 или комплексных анионов [UO2(SO4)3]4-, а в содовый раствор - в виде [UО2(СО3)3]4-. Для извлечения и концентрирования Урана из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органических растворителями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из растворов добавлением щелочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидрооксид U(OH)4. Для получения соединений высокой степени чистоты технические продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO3 или U3О8; эти оксиды при 650-800 °С восстанавливаются водородом или диссоциированным аммиаком до UO2 с последующим переводом его в UF4обработкой газообразным фтористым водородом при 500-600 °С. UF4 может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF4·nН2О плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450 °С в токе водорода. В промышленности основные способом получения Уран из UF4 является его кальциетермическим или магниетермическим восстановление с выходом Урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.

Очень важным процессом в технологии Урана является обогащение его изотопом 235U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изотопа в чистом виде, поскольку именно 235U - основные ядерное горючее; осуществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и другими методами, основанными на различии масс 238U и 235U; в процессах разделения Уран используется в виде летучего гексафторида UF6. При получении Урана высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критические массы; наиболее удобный способ в этом случае - восстановление оксидов Урана кальцием; образующийся при этом шлак СаО легко отделяется от Урана растворением в кислотах. Для получения порошкообразного Урана, оксида (IV), карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений применяются методы порошковой металлургии.

1.3 Использование, назначение.

Ядерное топливо

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 из природного урана  сложная технологическая проблема.

 Приведем некоторые  цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой  в 80 %, и вырабатывающего 7000 ГВт·ч в год. Работа одного такого реактора в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 % U-235, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки  высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например, KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Тепловыделяющая способность урана

1 тонна обогащенного урана  по тепловыделяющей способности  равна 1 миллиону 350 тысячам тонн  нефти или природного газа.

Геология

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.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью.  Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами.

Другие сферы применения

• Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу.

• 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).

• Некоторые соединения урана светочувствительны.

• В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

• Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).

• Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

• Соль цинкуранилацетат урана Zn[(UO2)3(CH3COO)8] применяется в аналитической химии при проведении качественного анализа катионов натрия.

Обеднённый уран

После извлечения 235U и 234U из природного урана, оставшийся материал (уран-238) носит название «обеднённый уран», так как он обеднён 235-м изотопом. Обеднённый уран в два раза менее радиоактивен, чем природный уран, в основном за счёт удаления из него 234U.

Из-за того, что основное использование урана — производство энергии, обеднённый уран — малополезный продукт с низкой экономической ценностью. Использование обедненного урана связано в основном с его большой плотностью и относительно низкой стоимостью. Обеднённый уран используется для радиационной защиты (как это ни странно), — используется чрезвычайно высокое сечение захвата, и как балластная масса в аэрокосмических применениях, таких, как рулевые поверхности летательных аппаратов. В первых экземплярах самолёта «Боинг-747» содержалось от 300 до 500 кг обеднённого урана для этих целей (с 1981 года Боинг применяет вольфрам). Ещё этот материал применяется в высокоскоростных роторах гироскопов, больших маховиках, как балласт в космических спускаемых аппаратах и гоночных яхтах, болидах формулы-1, при бурении нефтяных скважин.

1.4 Физические свойства.

Электронная конфигурация. Анализом атомного спектра газообразного урана определено, что основным состоянием является состояние 5f36d7s2,5L6. Ионизационный потенциал для первого электрона газообразного урана составляет около 4 в. Наличие трех 5f-электронов в атоме урана соответствует его положению в переходном ряду наиболее тяжелых элементов.

Таблица изотопов урана

1.5 Кристаллическая структура, атомный и ионный радиусы.

Металлический уран существует в трех кристаллических модификациях.

α-уран устойчив до 660°, он имеет ромбическую кристаллическую решетку, которую лучше всего можно представить как искаженную плотнейшую гексагональную упаковку. Структура α-урана совершенно отлична от структуры хрома, молибдена и вольфрама. Атомы металлического урана обладают такими свойствами, какими они обладали бы, если бы не имели сферической формы, и поэтому атомам урана в металлическом состоянии невозможно приписать определенного радиуса. β -уран устойчив между 660 и 770° и имеет, по-видимому, тетрагональную элементарную ячейку. β -уран по своей структуре родственен α-урану, но имеет элементарную ячейку значительно больших размеров и заметно более низкой симметрии.

Высокотемпературная γ-форма устойчива выше 770° и имеет объемноцентрированную кубическую структуру. В чистом уране и γ-модификации не могут быть фиксированы закалкой. Их структура изучена при помощи высокотемпературной камеры или путем стабилизации структуры молибденом или хромом.

Таблица полиморфных модификаций урана.

1.6 Химические свойства урана.

Характерные степени окисления.

Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.

Кроме того, существует оксид U3O8. Степень окисления в нём формально дробная, а реально он представляет собой смешанный оксид урана (V) и (VI).

Нетрудно видеть, что по набору степеней окисления и характерных соединений уран близок к элементам VIB подгруппы (хрому,молибдену, вольфраму). Из-за этого его длительное время относили к этой подгруппе («размывание периодичности»).

Свойства простого вещества

Химически уран весьма активен. Он быстро окисляется на воздухе и покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице.

Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

U + 2H2O →UO2 + 2H2 ↑

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO2 или соли U4+ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO22+

С растворами щелочей уран не взаимодействует.

При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Соединения урана III

Соли урана(+3) (преимущественно, галогениды) — восстановители. На воздухе при комнатной температуре они обычно устойчивы, однако при нагревании окисляются до смеси продуктов. Хлор окисляет их до UCl4. Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:

4UCl3 + 2H2O →3UCl4 + UO2 + 2H2 ↑

Галогениды урана III образуются при восстановлении галогенидов урана (IV) водородом:

2UCl4 + H2 →2UCl3 + 2HCl (550—590оC)

или иодоводородом:

2UCl4 + 2HI →2UCl3 + 2HCl + I2 (500оC)

а также при действии галогеноводорода на гидрид урана UH3.

Кроме того, существует гидрид урана (III) UH3. Его можно получить, нагревая порошок урана в водороде при температурах до 225оС, а выше 350оС он разлагается. Большую часть его реакций (например, реакцию с парами воды и кислотами) можно формально рассматривать как реакцию разложения с последующей реакцией металлического урана:

UH3 + 3HCl →UCl3 + 3H2 ↑

2UH3 + 7Cl2 →2UCl4 + 6HCl

Соединения урана IV

Уран (+4) образует легко растворимые в воде соли зелёного цвета. Они легко окисляются до урана (+6)

Соединения урана V

Соединения урана(+5) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

2UO2Cl →UO2Cl2 + UO2

Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:

2UCl5 →UCl4 + UCl6

а частично отщепляет хлор:

2UCl5 →2UCl4 + Cl2

Соединения урана VI

Степени окисления +6 соответствует оксид UO3. В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO22+:

UO3 + 2CH3COOH →UO2(CH3COO)2 + H2O

C основаниями UO3 (аналогично CrO3, MoO3 и WO3) образует различные уранат-анионы (в первую очередь, диуранат U2O72-). Последние, однако, чаще получают действием оснований на соли уранила:

2UO2(CH3COO)2 + 6NaOH →Na2U2O7 + 4CH3COONa + 3H2O

Из соединений урана (+6), не содержащих кислород, известны только гексахлорид UCl6 и фторид UF6. Последний играет важнейшую роль в разделении изотопов урана.

Соединения урана (+6) наиболее устойчивы на воздухе и в водных растворах.

Ураниловые соли, такие, как уранилхлорид, распадаются на ярком свету или в присутствии органических соединений.

Уран также образует ураноорганические соединения.

1.7 Механические свойства.

Уран — блестящий белый металл, по внешнему виду напоминающий сталь. Он хорошо поддается полировке. Уран недостаточно тверд для того, чтобы царапать стекло. Низкотемпературная форма полупластична и несколько тягуча, среднетемпературная форма хрупка, а высокотемпературная — пластична. Металл можно ковать, протягивать или выдавливать при высокой температуре; его можно также подвергать холодной обработке.

Механические свойства Урана зависят от его чистоты, от режимов механической и термической обработки. Среднее значение модуля упругости для литого Уран 20,5·10-2 Мн/м2 [20,9·10-3кгс/мм2]; предел прочности при растяжении при комнатной температуре 372-470 Мн/м2 [38-48 кгс/мм2]; прочность повышается после закалки из β- и γ-фаз; средняя твердость по Бринеллю 19,6-21,6·102 Мн/м2 [200-220 кгс/мм2].

Облучение потоком нейтронов (которое имеет место в ядерном реакторе) изменяет физико-механические свойства Урана: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать Уран в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов.

Уран - радиоактивный элемент. Ядра 235U и 233U делятся спонтанно, а также при захвате как медленных (тепловых), так и быстрых нейтронов с эффективным сечением деления 508·10-24 см2 (508 барн) и 533·10-24 см2(533 барн) соответственно. Ядра 238U делятся при захвате только быстрых нейтронов с энергией не менее 1 Мэв; при захвате медленных нейтронов238U превращается в 239Рu, ядерные свойства которого близки к 235U. Критическая масса Урана (93,5% 235U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара - около 50 кг, для шара с отражателем - 15-23 кг; критическая масса 233U- примерно 1/3 критической массы 235U.

1.8 Уран в организме. 

В микроколичествах (10-5-10-8%) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В золе растений (при содержании Уран в почве около 10-4%) его концентрация составляет 1,5·10-5%. В наибольшей степени Уран накапливается некоторыми грибами и водорослями (последние активно участвуют в биогенной миграции Урана по цепи вода - водные растения - рыба - человек). В организм животных и человека Уран поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки. Соединения Уран всасываются в желудочно-кишечном тракте - около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в легких всасываются соответственно 50% и 20%. Распределяется Уран в организме неравномерно. Основное депо (места отложения и накопления) - селезенка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, - легкие и бронхолегочные лимфатические узлы. В крови Уран (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание Уран в органах и тканях животных и человека не превышает 10-7 г/г. Так, кровь крупного рогатого скота содержит 1·10-8 г/мл, печень 8·10-8 г/г, мышцы 4·10-11 г/г, селезенка 9·108-8 г/г. Содержание Урана в органах человека составляет: в печени 6·10-9 г/г, в легких 6·10-9-9·10-9г/г, в селезенке 4,7·10-7г/г, в крови 4-10-10 г/мл, в почках 5,3·10-9 (корковый слой) и 1,3·10-8 г/г (мозговой слой), в костях 1·10-9 г/г, в костном мозге 1 -Ю-8 г/г, в волосах 1,3·10-7 г/г. Уран, содержащийся в костной ткани, обусловливает ее постоянное облучение (период полувыведения Урана из скелета около 300 суток). Наименьшие концентрации Урана - в головном мозге и сердце (10-10 г/г). Суточное поступление Урана с пищей и жидкостями - 1,9·10-6 г, с воздухом - 7·10-9 г. Суточное выведение Уран из организма человека составляет: с мочой 0,5·10-7- 5·10-7г, с калом - 1,4·10-6-1,8·10-6 г, с волосами - 2·10-8 г.