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Gli ossidi di uranio (VI) o “yellow cake” sono un passo intermedio nella lavorazione dei minerali di uranio. |
Uranio
| Numero atomico: | 92 | Raggio atomico: | 240 pm (Van der Waals) |
| Simbolo atomico: | U | Punto di fusione: | 1133 °C |
| Peso atomico: | 238 | Punto di ebollizione: | 4131 °C |
| Configurazione elettronica: | 7s25f36d1 | Stati di ossidazione: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Storia
L’uso dell’uranio nella sua forma naturale di ossido risale al 79 d.C. quando veniva usato come colorante giallo negli smalti di ceramica. Un vetro giallo con l’1% di ossido di uranio è stato trovato in un’antica villa romana vicino a Napoli, in Italia. Nel tardo Medioevo, la pechblenda veniva estratta dalle miniere d’argento e veniva usata come colorante nell’industria del vetro. L’identificazione dell’uranio come elemento è generalmente accreditata a Martin H. Klaproth. Mentre faceva esperimenti con la pechblenda nel 1789, concluse che conteneva un nuovo elemento, che chiamò come il pianeta Urano appena scoperto (dal nome del dio greco del cielo). Ciò che Klaproth identificò in realtà non era l’elemento puro ma l’ossido di uranio. Il metallo puro fu isolato per la prima volta nel 1841 da Eugène-Melchior Péligot, che ridusse il tetracloruro di uranio anidro con il potassio metallico.
Nel 1896 Antoine H. Becquerel scoprì che l’uranio esibiva luce o raggi invisibili; era radioattività. Nel 1934 le ricerche di Enrico Fermi e altri portarono all’uso della fissione dell’uranio nella prima arma nucleare usata in guerra e più tardi all’uso pacifico dell’uranio come combustibile nella produzione di energia nucleare. Una conseguente corsa agli armamenti durante la Guerra Fredda tra gli Stati Uniti e l’Unione Sovietica ha prodotto decine di migliaia di armi nucleari che usavano uranio metallico e plutonio-239 derivato dall’uranio. La sicurezza di queste armi e del loro materiale fissile dopo la dissoluzione dell’Unione Sovietica nel 1991 è una preoccupazione costante.
Nel 1972 il fisico francese Francis Perrin scoprì antichi e non più attivi reattori a fissione nucleare naturale preistorici nei depositi di minerale di uranio nella miniera di Oklo in Gabon, Africa occidentale, conosciuti collettivamente come i reattori fossili di Oklo. Il deposito di minerale ha 1,7 miliardi di anni; a quel tempo, l’uranio-235 costituiva circa il 3% dell’uranio totale sulla Terra (0,72% oggi). Questo è abbastanza alto per permettere una reazione a catena di fissione nucleare sostenuta, a condizione che esistano altre condizioni geologiche di supporto.
Isotopi
L’uranio è debolmente radioattivo perché tutti gli isotopi di uranio presenti in natura (o primordiali) (238U, 235U e 234U) sono instabili, con emivite che variano tra 159.200 anni e 4,5 miliardi di anni. Ci sono 27 isotopi noti di uranio che variano nei pesi atomici 217-219, 222-240 e 242, con emivite da miliardi di anni a pochi nanosecondi. L’uranio naturale consiste di tre isotopi principali: 238U (99,28% di abbondanza), 235U (0,71%) e 234U (0,0054%). (Il DOE statunitense ha adottato il valore di 0,711 come percentuale ufficiale di 235U nell’uranio naturale). Tutti e tre gli isotopi sono radioattivi, con piccole probabilità di subire la fissione spontanea, ma decadono preferibilmente per emissione alfa. L’emivita dell’uranio-238 è di circa 4,47 miliardi di anni e quella dell’uranio-235 è di 704 milioni di anni, il che li rende utili per datare l’età della Terra. Suggerisce anche che metà dell’uranio che esisteva dalla formazione della Terra è decaduto in altri elementi radioattivi e infine in elementi stabili. Si pensa che gran parte del calore interno della terra sia attribuibile al decadimento dei radioisotopi di uranio e torio.
L’uranio 238 è un emettitore di particelle α (occasionalmente, subisce una fissione spontanea), decadendo attraverso la “serie dell’uranio” di decadimento nucleare, che ha 18 membri, tutti che alla fine decadono in piombo-206, attraverso una varietà di percorsi di decadimento diversi. La serie di decadimento del 235U, chiamata serie dell’attinio, ha 15 membri, che alla fine decadono tutti in piombo-207. I tassi costanti di decadimento in queste serie di decadimento rendono il confronto dei rapporti degli elementi genitori e figli utile nella datazione radiometrica. L’uranio-234 è un membro della “serie dell’uranio”, e decade in piombo-206 attraverso una serie di isotopi a vita relativamente breve. L’uranio-233 si ottiene dal torio-232 tramite bombardamento di neutroni, di solito in un reattore nucleare, e anche il 233U è fissile. La sua serie di decadimenti termina con il tallio-205.
Fonti
L’uranio è l’elemento naturale più pesante disponibile in grandi quantità. Gli elementi “transuranici” più pesanti sono prodotti dall’uomo o esistono solo in tracce nei depositi di minerali di uranio come prodotti di attivazione. L’uranio si presenta naturalmente in basse concentrazioni di poche parti per milione nel suolo, nelle rocce e nell’acqua, e viene estratto commercialmente da minerali contenenti uranio. L’uranio, non così raro come si pensava una volta, è ora considerato più abbondante di mercurio, antimonio, argento o cadmio, ed è circa abbondante come il molibdeno o l’arsenico. Si presenta in numerosi minerali naturali come pechblenda, uraninite, carnotite, autunite, uranofane e tobernite. Si trova anche in rocce fosfatiche, lignite, sabbie di monazite, e viene recuperato commercialmente da queste fonti. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti acquista l’uranio sotto forma di concentrati U3O8 accettabili. Questo programma di incentivi ha aumentato notevolmente le riserve di uranio conosciute.
Proprietà
L’uranio puro è un metallo bianco argenteo, debolmente radioattivo, che è più duro della maggior parte degli elementi. È malleabile, duttile, leggermente paramagnetico, fortemente elettropositivo ed è un povero conduttore elettrico. L’uranio metallico ha una densità molto alta, essendo circa il 70% più denso del piombo, ma leggermente meno denso dell’oro. L’uranio metallico si presenta in tre modificazioni cristallografiche: alfa –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. L’uranio è piroforico quando finemente diviso. È un po’ più morbido dell’acciaio ed è attaccato dall’acqua fredda in uno stato finemente diviso. In aria, il metallo dell’uranio si riveste di uno strato di ossido. Gli acidi dissolvono il metallo, formando lo stato di ossidazione +3 che si ossida rapidamente dall’acqua e dall’aria per formare stati di ossidazione superiori. L’uranio metallico non è influenzato dagli alcali. L’uranio metallico può essere preparato riducendo gli alogenuri di uranio con metalli alcalini o alcalino-terrosi o riducendo gli ossidi di uranio con calcio, alluminio o carbonio ad alte temperature. Il metallo può anche essere prodotto per elettrolisi di KUF5 o UF4, dissolto in una miscela di sale fuso di CaCl2 e NaCl. L’uranio ad alta purezza può essere preparato dalla decomposizione termica degli alogenuri di uranio su un filamento caldo.
Il metallo dell’uranio reagisce con quasi tutti gli elementi non metallici ed i loro composti, con la reattività che aumenta con la temperatura. Gli acidi cloridrico e nitrico dissolvono l’uranio, ma gli acidi non ossidanti diversi dall’acido cloridrico attaccano l’elemento molto lentamente. Quando è finemente diviso, può reagire con acqua fredda. In aria, l’uranio metallico si ossida e si riveste di uno strato scuro di ossido di uranio. L’uranio forma una varietà di leghe e composti con gli stati di ossidazione più importanti che sono l’uranio (IV) e l’uranio (VI), ed i loro due ossidi corrispondenti sono, rispettivamente, il diossido di uranio, UO2 ed il triossido di uranio, UO3. Oltre agli ossidi, altri importanti composti dell’uranio includono fluoruri, cloruri, bromuri, ioduri, carbonati, idruri, carburi, nitruri, fosfati, ecc. A temperatura ambiente, l’esafluoruro di uranio, UF6, ha un’alta pressione di vapore, che lo rende utile nel processo di diffusione gassosa usato per separare il raro U-235 dal comune isotopo U-238. Gli idruri, i nitruri e i carburi di uranio sono composti semimetallici relativamente inerti che sono minimamente solubili negli acidi e sono stati usati come pellet di combustibile stabile nella tecnologia dei reattori nucleari.
L’uranio esiste in soluzioni acquose negli stati di ossidazione +3, +4, +5 e +6. Lo stato di ossidazione +6 come ione UO22+ (di colore giallo) è lo stato più stabile in soluzione. L’uranio nello stato +5 come ione UO2+ è incolore, abbastanza instabile e si sproporziona (reagisce con se stesso) per formare gli stati +6 e +4. Lo stato +4 (verde) è ragionevolmente stabile in soluzione, ma lo stato +3 (verde scuro o rosso scuro a seconda della fonte di illuminazione – luce del giorno o luce fluorescente) è instabile e si ossida facilmente a +4. Lo stato +4 in soluzioni a pH quasi neutro si idrolizza facilmente per formare precipitati neri di ossido-idrossido.
Usi
L’uranio è stato usato come colorante negli smalti di ceramica e nel vetro nell’antica Roma e nel Medioevo producendo tonalità dal rosso arancio al giallo limone. Più recentemente è stato usato come smalto arancione nelle stoviglie contemporanee Fiestaware©, ma è stato poi interrotto per motivi di salute. Molti usi contemporanei dell’uranio sfruttano le sue proprietà nucleari uniche. L’uranio-235 ha la particolarità di essere l’unico isotopo fissile presente in natura. Questo significa che può essere diviso in due o tre frammenti (prodotti di fissione) da neutroni termici. L’uranio-238 è fissionabile da neutroni veloci ed è fertile, il che significa che può essere trasmutato in plutonio-239 fissile in un reattore nucleare. Un altro isotopo fissile, l’uranio-233, può essere prodotto dal torio naturale ed è anche importante nella tecnologia nucleare. Mentre l’uranio-238 ha una piccola probabilità di fissione spontanea o anche indotta con neutroni veloci, l’uranio-235 e, in misura minore, l’uranio-233 hanno una sezione trasversale di fissione molto più alta per neutroni lenti. In una concentrazione sufficiente, questi isotopi mantengono una reazione nucleare a catena sostenuta. Questo genera il calore nei reattori nucleari e produce il materiale fissile per le armi nucleari. Questa conversione nucleare può essere realizzata in reattori di riproduzione dove è possibile produrre più materiale fissile nuovo di quello usato per mantenere la reazione a catena. L’uranio impoverito (238U) (impoverito di uranio-235) è usato nella penetrazione delle corazze balistiche e come rivestimento delle corazze.
L’uranio-238 non è fissile, ma è un isotopo fertile, perché dopo attivazione neutronica può produrre plutonio-239, un altro isotopo fissile. Infatti, il nucleo238U può assorbire un neutrone per produrre l’isotopo radioattivo uranio-239. Il 239U decade per emissione beta in nettunio-239, anch’esso emettitore beta, che decade a sua volta, in pochi giorni, in plutonio-239. Il 239Pu fu usato come materiale fissile nella prima bomba atomica fatta esplodere nel “test Trinity” il 15 luglio 1945 nel Nuovo Messico.
L’uranio-235 è ancora più importante perché è la chiave per utilizzare l’uranio. Il 235U, pur essendo presente nell’uranio naturale solo allo 0,71%, è così fissionabile con neutroni lenti che una reazione di fissione a catena autosostenuta può essere realizzata in un reattore costruito con uranio naturale e un moderatore adatto, come acqua pesante o grafite, da solo.
L’uranio-235 può essere concentrato per diffusione gassosa e altri processi fisici, se lo si desidera, e usato direttamente come combustibile nucleare, al posto dell’uranio naturale, o usato come esplosivo.
L’uranio naturale, leggermente arricchito con 235U di una piccola percentuale, è usato per alimentare reattori nucleari per generare elettricità. Il torio naturale può essere irradiato con neutroni per produrre l’importante isotopo 233U come segue: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Mentre il torio in sé non è fissionabile, il 233U lo è, e in questo modo può essere usato come combustibile nucleare. Una libbra di uranio completamente fissionato ha il valore di combustibile di oltre 1500 tonnellate di carbone.
Gli usi dei combustibili nucleari per generare energia elettrica, per fare isotopi per scopi pacifici, e per fare esplosivi sono ben noti. L’uranio negli Stati Uniti è controllato dalla U.S. Nuclear Regulatory Commission. Si stanno trovando nuovi usi per l’uranio impoverito, cioè l’uranio con la percentuale di 235U abbassata a circa lo 0,2%. L’uranio è usato nei dispositivi di guida inerziale, nelle bussole giroscopiche, come contrappesi per le superfici di controllo degli aerei, come zavorra per i veicoli di rientro dei missili, e come materiale schermante. Il metallo dell’uranio è usato per i bersagli dei raggi X per la produzione di raggi X ad alta energia; il nitrato era una volta usato come toner fotografico, e l’acetato era una volta usato nella chimica analitica. I cristalli di nitrato di uranio sono triboluminescenti. I sali di uranio sono stati usati anche per produrre vetro giallo “vaselina” e smalti.
Pericoli
L’uranio ed i suoi composti sono altamente tossici, sia da un punto di vista chimico che radiologico. L’uranio metallico finemente diviso, essendo piroforico, presenta un pericolo di incendio. In natura, l’U(VI) forma complessi di carbonato altamente solubili a pH alcalino. Questo porta ad un aumento della mobilità e della disponibilità dell’uranio nelle acque sotterranee e nel suolo dai depositi di scorie nucleari che porta a rischi per la salute. Lavorare con l’uranio richiede la conoscenza delle concentrazioni massime consentite che possono essere inalate o ingerite. Recentemente, la presenza naturale di uranio in molti terreni è diventata motivo di preoccupazione per i proprietari di case a causa della generazione di gas radon radioattivo e delle sue figlie, in particolare in spazi confinati con bassa circolazione come le cantine.
Aggiornato dal Dr. David Hobart, 23 luglio 2013