L'elemento chimico uranio: proprietà, caratteristiche, formula. Estrazione e applicazione dell'uranio
L'uranio è un elemento chimico della famiglia degli attinidi con numero atomico 92. È il combustibile nucleare più importante. La sua concentrazione nella crosta terrestre è di circa 2 parti per milione. Importanti minerali di uranio includono ossido di uranio (U 3 O 8 ), uraninite (UO 2 ), carnotite (uranil-potassio vanadato), otenite (uranile-potassio fosfato) e torbernite (rame acquoso e fosfato di uranile). Questi e altri minerali di uranio sono fonti di combustibile nucleare e contengono molte volte più energia di tutti i depositi recuperabili noti di combustibili fossili. 1 kg di uranio 92 U fornisce energia pari a 3 milioni di kg di carbone.
Storia della scoperta
L'elemento chimico uranio è un metallo denso e solido di colore bianco-argento. È duttile, malleabile e lucidabile. Nell'aria, il metallo è ossidato e si infiamma nello stato fondamentale. Conduce l'elettricità relativamente male. La formula elettronica dell'uranio è 7s2 6d1 5f3.
Sebbene l'elemento fu scoperto nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth, che lo nominò in onore del pianeta Uranus scoperto di recente, il metallo stesso fu isolato nel 1841 dal chimico francese Eugene-Melchior Peligo riducendo il potassio dall'uranio tetracloruro (UCl 4 ).
radioattività
La creazione del sistema periodico dal chimico russo Dmitrij Mendeleev nel 1869 si concentrò sull'uranio come il più pesante degli elementi conosciuti che rimase fino alla scoperta del nettunio nel 1940. Nel 1896, il fisico francese Henri Becquerel scoprì il fenomeno della radioattività in esso. Questa proprietà è stata successivamente trovata in molte altre sostanze. Ora è noto che l'uranio radioattivo in tutti i suoi isotopi consiste in una miscela di 238 U (99,27%, emivita - 4 510 000 000 anni), 235 U (0,72%, emivita - 713 000 000 anni) e 234 U (0,006%, emivita - 247.000 anni). Ciò consente, ad esempio, di determinare l'età delle rocce e dei minerali per studiare i processi geologici e l'età della terra. Per fare questo, misurano la quantità di piombo, che è il prodotto finale del decadimento radioattivo dell'uranio. In questo caso, 238 U è l'elemento iniziale e 234 U è uno dei prodotti. 235 U genera una serie di decadimento di attinio.
Apertura della reazione a catena
L'elemento chimico uranio divenne oggetto di ampio interesse e studio intensivo dopo che i chimici tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann alla fine del 1938, quando bombardati da neutroni lenti, scoprirono la fissione nucleare in esso. All'inizio del 1939, un fisico americano di origine italiana, Enrico Fermi, suggerì che tra i prodotti della fissione atomica potessero essere particelle elementari capaci di generare una reazione a catena. Nel 1939, i fisici americani Leo Szillard e Herbert Anderson, così come il chimico francese Frederic Joliot-Curie e i loro colleghi confermarono questa previsione. Studi successivi hanno mostrato che, in media, quando si fissione di un atomo, vengono rilasciati 2,5 neutroni. Queste scoperte portarono alla prima reazione a catena nucleare autosufficiente (12/02/1942), la prima bomba atomica (07/16/1945), il suo primo uso durante le ostilità (08/06/1945), il primo sottomarino atomico (1955) e la prima centrale nucleare a grandezza naturale ( 1957).
Stati di ossidazione
L'uranio dell'elemento chimico, essendo un metallo elettropositivo forte, reagisce con l'acqua. Si dissolve in acidi, ma non in alcali. Importanti stati di ossidazione sono +4 (come in ossido di UO 2 , tetraalogenati come UCl 4 e ione verde acqua U 4+ ) e +6 (come in UO 3 ossido, esafluoruro di UF 6 e ione uranile UO 2 2+ ). In soluzione acquosa, l'uranio è il più stabile nella composizione dello ione uranile, che ha una struttura lineare [O = U = O] 2+ . L'elemento ha anche stati +3 e +5, ma sono instabili. Red U 3+ viene lentamente ossidato in acqua che non contiene ossigeno. Il colore dello ione UO 2 + non è noto, poiché subisce sproporzione (UO 2 + si riduce simultaneamente a U 4+ ed è ossidato a UO 2 2+ ) anche in soluzioni molto diluite.
Combustibile nucleare
Quando esposto a neutroni lenti, la fissione dell'atomo di uranio si verifica nell'isotopo relativamente raro 235 U. È l'unico materiale fissile naturale e deve essere separato dall'isotopo 238. Tuttavia, dopo l'assorbimento e il decadimento beta negativo, l'uranio-238 si trasforma in un elemento sintetico plutonio, che si divide sotto l'azione dei neutroni lenti. Pertanto, l'uranio naturale può essere utilizzato nei reattori e negli allevatori di convertitori in cui la divisione viene mantenuta in un raro 235 U e il plutonio viene prodotto simultaneamente con la trasmutazione di 238 U. Dall'isotopo torio-232 ampiamente distribuito in natura, il fissile 233 U può essere sintetizzato per l'uso come combustibile nucleare. L'uranio è anche importante come materiale primario da cui si ottengono gli elementi transuranici sintetici.
Altri usi dell'uranio
I composti dell'elemento chimico sono stati precedentemente utilizzati come coloranti per ceramica. L'esafluoruro (UF 6 ) è un solido con una tensione di vapore insolitamente elevata (0,15 atm = 15 300 Pa) a 25 ° C. L'UF 6 è chimicamente molto reattivo, ma, nonostante la sua natura corrosiva allo stato di vapore, l'UF 6 è ampiamente usato nei metodi di diffusione del gas e di centrifuga a gas per la produzione di uranio arricchito.
I composti organometallici sono un gruppo interessante e importante di composti in cui i legami metallo-carbonio combinano metallo con gruppi organici. L'uranocene è un composto organo-uranico U (C 8 H 8 ) 2 , in cui un atomo di uranio è inserito tra due strati di anelli organici associati al cicloottatetraene C 8 H 8 . La sua scoperta nel 1968 ha aperto un nuovo campo della chimica organometallica.
L'uranio naturale impoverito è usato come mezzo di protezione dalle radiazioni, zavorra, in gusci perforanti e armature di carri armati.
lavorazione
L'elemento chimico, sebbene molto denso (19,1 g / cm 3 ), è una sostanza relativamente debole non infiammabile. Infatti, le proprietà metalliche dell'uranio sembrano posizionarlo da qualche parte tra l'argento e altri metalli veri e non metalli, quindi non viene usato come materiale strutturale. Il valore principale dell'uranio risiede nelle proprietà radioattive dei suoi isotopi e nella loro capacità di dividere. In natura, quasi tutto il metallo (99,27%) è costituito da 238 U. Il resto è 235 U (0,72%) e 234 U (0,006%). Di questi isotopi naturali, solo 235 U viene scisso direttamente dall'irradiazione di neutroni. Tuttavia, quando viene assorbito, 238 U formano 239 U, che alla fine si disintegra in 239 Pu - materiale fissile, che è di grande importanza per l'energia nucleare e le armi nucleari. Un altro isotopo fissile, 233 U, può essere prodotto mediante irraggiamento neutronico di 232 TH.
Forme di cristallo
Le caratteristiche dell'uranio determinano la sua reazione con ossigeno e azoto anche in condizioni normali. A temperature più elevate, reagisce con una vasta gamma di metalli droganti per formare composti intermetallici. La formazione di soluzioni solide con altri metalli è raramente dovuta alle speciali strutture cristalline formate dagli atomi dell'elemento. Tra la temperatura ambiente e un punto di fusione di 1132 ° C, l'uranio metallico esiste in 3 forme cristalline, conosciute come alfa (α), beta (β) e gamma (γ). La trasformazione dallo stato α- β si verifica a 668 ° C e da β a γ - a 775 ° C. Il γ-uranio ha una struttura di cristallo cubico centrata sul corpo e β-tetragonale. La fase α consiste di strati atomici in una struttura ortorombica ad alta simmetria. Questa struttura distorta anisotropa impedisce che gli atomi di metallo droganti sostituiscano gli atomi di uranio o occupino lo spazio tra loro reticolo cristallino. Si è constatato che le soluzioni solide formano solo molibdeno e niobio.
minerale
La crosta contiene circa 2 parti di uranio per milione, che indica la sua ampia distribuzione in natura. Si stima che gli oceani contengano 4,5 × 10 9 tonnellate di questo elemento chimico. L'uranio è un componente importante di oltre 150 diversi minerali e un componente minore di un altro 50. I minerali primari presenti nelle magmatiche vene idrotermali e nelle pegmatiti includono l'uraninite e la sua varietà nasturan. In questi minerali l'elemento si presenta sotto forma di diossido che, a causa dell'ossidazione, può variare da UO 2 a UO 2,67 . Altri prodotti economicamente significativi di miniere di uranio sono autunite (idrato di calcio di uranile), tobernite (idrato di uranile di rame fosfato), coffinite (silicato di uranio idrato nero) e carnotite (vanadio di potassio idrato di uranile).
Si stima che oltre il 90% delle riserve di uranio note a basso costo siano in Australia, Kazakistan, Canada, Russia, Sud Africa, Niger, Namibia, Brasile, Cina, Mongolia e Uzbekistan. Grandi giacimenti si trovano nelle formazioni rocciose conglomerate del Lago Elliot, situate a nord del Lago Huron, nell'Ontario, in Canada, e nella miniera d'oro sudafricana Witwatersrande. Anche le formazioni di sabbia sull'altopiano del Colorado e nel bacino del Wyoming negli Stati Uniti occidentali contengono importanti riserve di uranio.
estrazione
I minerali di uranio si trovano nei sedimenti sia sottosuperficiali che profondi (300-1200 m). Sotto terra, lo spessore del serbatoio raggiunge i 30 m. Come nel caso dei minerali di altri metalli, l'estrazione dell'uranio sulla superficie viene effettuata da macchinari di movimento terra su larga scala e lo sviluppo di sedimenti profondi viene eseguito con metodi tradizionali di miniere verticali e inclinate. La produzione mondiale di uranio concentrato nel 2013 è stata pari a 70 mila tonnellate, mentre le miniere di uranio più produttive si trovano in Kazakistan (32% della produzione totale), Canada, Australia, Niger, Namibia, Uzbekistan e Russia.
I minerali di uranio solitamente includono solo una piccola quantità di minerali contenenti uranio e non sono suscettibili alla fusione con metodi pirometallurgici diretti. Invece, le procedure idrometallurgiche dovrebbero essere utilizzate per estrarre e purificare l'uranio. L'aumento della concentrazione riduce significativamente il carico sui circuiti di elaborazione, ma nessuno dei soliti metodi di arricchimento comunemente usati per la lavorazione dei minerali, come la gravità, la flottazione, l'elettrostatica e persino lo smistamento manuale, non sono applicabili. Con poche eccezioni, questi metodi portano a una significativa perdita di uranio.
sparo
La lavorazione idrometallurgica dei minerali di uranio è spesso preceduta da una fase di calcinazione ad alta temperatura. La calcinazione disidrata l'argilla, rimuove i materiali carboniosi, ossida i composti dello zolfo in solfati innocui e ossida qualsiasi altro agente riducente che possa interferire con la successiva lavorazione.
lisciviazione
L'uranio viene estratto dai minerali bruciati da soluzioni acquose sia acide che alcaline. Affinché tutti i sistemi di lisciviazione funzionino correttamente, l'elemento chimico deve essere inizialmente presente in una forma 6-valente più stabile oppure essere ossidato in questo stato durante l'elaborazione.
La lisciviazione acida viene di solito effettuata agitando la miscela di minerale e liscivia per 4-48 ore a temperatura ambiente. Tranne in circostanze speciali utilizzate acido solforico. Viene servito in quantità sufficienti per ottenere il liquore finale a un pH di 1,5. Gli schemi di lisciviazione dell'acido solforico utilizzano in genere biossido di manganese o clorato per ossidare l'Uan 2 tetravalente da U 4+ a 6-valente (UO 2 2+ ). Di norma, circa 5 kg di biossido di manganese o 1,5 kg di clorato di sodio per tonnellata sono sufficienti per l'ossidazione di U 4+ . In ogni caso, l'uranio ossidato reagisce con acido solforico per formare l'anione complesso solfato di uranile [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4- .
Il minerale contenente quantità significative di minerali di base, come la calcite o la dolomite, viene lisciviato con una soluzione molare 0,5-1. carbonato di sodio. Sebbene vari reagenti siano stati studiati e testati, l'ossigeno è il principale ossidante dell'uranio. Tipicamente, il minerale viene lisciviato nell'aria a pressione atmosferica e ad una temperatura di 75-80 ° C per un periodo di tempo che dipende dalla composizione chimica specifica. L'alcali reagisce con l'uranio per formare uno ione complesso facilmente solubile [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4- .
Prima dell'ulteriore elaborazione, le soluzioni risultanti dalla lisciviazione di acido o carbonato devono essere chiarite. La separazione su larga scala di argille e altri fanghi di minerali viene effettuata mediante l'uso di agenti flocculanti efficaci, tra cui poliacrilammidi, gomma di guar e colla animale.
estrazione
Gli ioni complessi [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4- e [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4- possono essere assorbiti dalle rispettive soluzioni di lisciviazione di resine a scambio ionico. Queste resine speciali, caratterizzate dalla cinetica del loro assorbimento ed eluizione, dimensione delle particelle, stabilità e proprietà idrauliche, possono essere utilizzate in varie tecnologie di lavorazione, ad esempio in un letto fisso e mobile, con il metodo della resina a scambio ionico in una pasta di un cesto e di tipo continuo. Di solito, per eluire l'uranio sorbato vengono utilizzate soluzioni di cloruro di sodio e ammoniaca o nitrati.
L'uranio può essere isolato dal liquore di minerale acido mediante estrazione con solvente. L'industria utilizza acidi alchil fosforici e alchilammine secondarie e terziarie. Di norma, l'estrazione con solvente è preferibile ai metodi di scambio ionico per i filtrati acidi contenenti più di 1 g / l di uranio. Tuttavia, questo metodo non si applica alla lisciviazione del carbonato.
Quindi l'uranio viene purificato dissolvendosi in acido nitrico con la formazione di nitrato di uranile, estratto, cristallizzato e calcinato con la formazione di triossido di UO 3 . Il diossido di UO2 ridotto reagisce con acido fluoridrico per formare tofluoruro di UF4, dal quale il metallo di uranio viene ridotto di magnesio o calcio ad una temperatura di 1300 ° C.
Il tetrafluoruro può essere fluorurato ad una temperatura di 350 ° C fino alla formazione di esafluoruro di UF 6 , che viene utilizzato per separare l'uranio-235 arricchito mediante diffusione di gas, centrifugazione con gas o diffusione termica liquida.