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Óxidos de urânio(VI) ou “bolo amarelo” é uma etapa intermediária no processamento de minérios de urânio. |
Urânio
| Número Atómico: | 92 | Rádio Atómico: | 240 pm (Van der Waals) |
| Símbolo Atómico: | U | Ponto de fusão: | 1133 °C |
| Peso atómico: | 238 | Ponto de Enchimento: | 4131 °C |
| Configuração Electrónica: | 7s25f36d1 | Estados de oxidação: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
História
O uso de urânio na sua forma de óxido natural data de 79 d.C. quando era usado como corante amarelo em esmaltes cerâmicos. Vidro amarelo com 1% de óxido de urânio foi encontrado em uma antiga vila romana perto de Nápoles, Itália. No final da Idade Média, o pitchblende era extraído das minas de prata e era usado como corante na indústria vidreira. A identificação do urânio como um elemento é geralmente creditada a Martin H. Klaproth. Ao experimentar o pitchblende em 1789, ele concluiu que ele continha um novo elemento, que recebeu o nome do recém-descoberto planeta Urano (nomeado em homenagem ao deus grego do céu ou céu). O que Klaproth realmente identificou não foi o elemento puro, mas o óxido de urânio. O metal puro foi isolado pela primeira vez em 1841 por Eugène-Melchior Péligot, que reduziu o tetracloreto de urânio anidro com metal de potássio.
Em 1896 Antoine H. Becquerel descobriu que o urânio exibia luz ou raios invisíveis; era radioatividade. Em 1934, pesquisas feitas por Enrico Fermi e outros eventualmente levaram ao uso da fissão do urânio na primeira arma nuclear usada na guerra e posteriormente no uso pacífico do urânio como combustível na produção de energia nuclear. Uma posterior corrida armamentista durante a Guerra Fria entre os Estados Unidos e a União Soviética produziu dezenas de milhares de armas nucleares que usaram urânio metálico e plutônio derivado do urânio-239. A segurança dessas armas e de seu material físsil após a desagregação da União Soviética em 1991 é uma preocupação constante.
Em 1972 o físico francês Francis Perrin descobriu antigos e não mais ativos reatores de fissão nuclear natural pré-históricos em depósitos de minério de urânio na mina de Oklo no Gabão, África Ocidental, coletivamente conhecidos como Reatores Fósseis de Oklo. A jazida de minério tem 1,7 bilhões de anos; naquela época, o urânio-235 constituía cerca de 3% do total de urânio na Terra (0,72% hoje). Isto é alto o suficiente para permitir a ocorrência de uma reação em cadeia de fissão nuclear sustentada, desde que existam outras condições geológicas de suporte.
Isótopos
O urânio é fracamente radioativo porque todos os isótopos de urânio (238U, 235U e 234U) que ocorrem naturalmente (ou primordiais) são instáveis, com meia vida variando entre 159.200 anos e 4,5 bilhões de anos. Existem 27 isótopos conhecidos de urânio que variam em pesos atómicos 217-219, 222-240 e 242, com meia-vida de biliões de anos a alguns nanossegundos. O urânio natural consiste em três grandes isótopos: 238U (99,28% de abundância), 235U (0,71%) e 234U (0,0054%). (A DOE dos EUA adoptou o valor de 0,711 como sendo a sua percentagem oficial de 235U em urânio natural). Todos os três isótopos são radioativos, com pequenas probabilidades de sofrer fissão espontânea, mas preferivelmente decaindo por emissão alfa. A meia-vida do urânio-238 é de cerca de 4,47 bilhões de anos e a do urânio-235 é de 704 milhões de anos, o que os torna úteis na datação da idade da Terra. Também sugere que metade do urânio que existia desde a formação da Terra decaiu para outros elementos radioativos e eventualmente para elementos estáveis. Pensa-se que muito do calor interno da Terra é atribuível ao decaimento dos radioisótopos de urânio e tório.
Uranio-238 é um emissor de partículas α (ocasionalmente, sofre fissão espontânea), decaindo através da “Série Urânio” de decaimento nuclear, que tem 18 membros, todos os quais eventualmente decaem em chumbo-206, por uma variedade de diferentes caminhos de decaimento. A série de decaimento de 235U, que é chamada de série de actínio tem 15 membros, todos os quais eventualmente decaem em chumbo-207. As taxas constantes de decaimento nestas séries de decaimento tornam a comparação dos rácios dos elementos pai-filha útil na datação radiométrica. O urânio-234 é um membro da “Série Urânio”, e decai para o chumbo-206 através de uma série de isótopos de vida relativamente curta. O urânio-233 é feito de tório-232 por bombardeamento de neutrões, geralmente em um reator nuclear, e o 233U também é físsil. Sua série de decaimento termina com tálio-205.
Fontes
O urânio é o elemento naturalmente mais pesado disponível em grandes quantidades. Os elementos mais pesados “transurânicos” ou são feitos pelo homem ou existem apenas como quantidades vestigiais em depósitos de minério de urânio como produtos de ativação. O urânio ocorre naturalmente em baixas concentrações de algumas partes por milhão no solo, rochas e água, e é extraído comercialmente de minerais que contêm urânio. O urânio, não tão raro como se pensava, é agora considerado mais abundante do que mercúrio, antimônio, prata ou cádmio, e é quase tão abundante quanto molibdênio ou arsênico. Ocorre em numerosos minerais naturais, como pitchblende, uraninita, carnotita, autunita, uranofane, e tobernite. Também é encontrado em rochas fosfáticas, lignite, areias monazíticas, e é recuperado comercialmente destas fontes. O Departamento de Energia dos Estados Unidos compra urânio sob a forma de concentrados aceitáveis de U3O8. Este programa de incentivos tem aumentado muito as reservas conhecidas de urânio.
Propriedades
O urânio puro é um metal branco prateado, fracamente radioativo, que é mais duro que a maioria dos elementos. É maleável, dúctil, ligeiramente paramagnético, fortemente electropositivo e é um fraco condutor eléctrico. O metal urânio tem densidade muito alta, sendo aproximadamente 70% mais denso que o chumbo, mas ligeiramente menos denso que o ouro. O urânio metálico se apresenta em três modificações cristalográficas: alfa –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. O urânio é pirofórico quando finamente dividido. É um pouco mais macio que o aço e é atacado por água fria em um estado finamente dividido. Os ácidos dissolvem o metal, formando o estado de oxidação +3 que oxida rapidamente pela água e pelo ar para formar estados de oxidação mais elevados. O urânio metálico não é afetado pelos álcalis. O urânio metálico pode ser preparado reduzindo os halogenetos de urânio com metais alcalinos ou alcalinos terrestres ou reduzindo os óxidos de urânio por cálcio, alumínio ou carbono a altas temperaturas. O metal também pode ser produzido por eletrólise de KUF5 ou UF4, dissolvido em uma mistura de sal fundido de CaCl2 e NaCl. O urânio de alta pureza pode ser preparado pela decomposição térmica de halogenetos de urânio sobre um filamento quente.
O urânio metálico reage com quase todos os elementos não metálicos e seus compostos, com reatividade aumentando com a temperatura. Os ácidos clorídrico e nítrico dissolvem o urânio, mas os ácidos não oxidantes que não o ácido clorídrico atacam o elemento muito lentamente. Quando finamente dividido, ele pode reagir com água fria. No ar, o urânio metálico oxida e torna-se revestido com uma camada escura de óxido de urânio. O urânio forma uma variedade de ligas e compostos, sendo os estados de oxidação mais importantes o urânio(IV) e o urânio(VI), e os seus dois óxidos correspondentes são, respectivamente, o dióxido de urânio, o UO2 e o trióxido de urânio, o UO3. Além dos óxidos, outros compostos importantes de urânio incluem fluoretos, cloretos, brometos, iodetos, carbonatos, hidretos, carbonetos, nitretos, fosfatos, etc. À temperatura ambiente, o hexafluoreto de urânio, UF6, tem uma alta pressão de vapor, tornando-o útil no processo de difusão gasosa usado para separar o raro U-235 do isótopo comum U-238. Os hidretos, nitretos e carbonetos de urânio são compostos semimetálicos relativamente inertes que são minimamente solúveis em ácidos e têm sido usados como pelotas de combustível estável na tecnologia de reatores de energia nuclear.
O urânio existe em soluções aquosas nos estados +3, +4, +5, e +6 de oxidação. O estado de oxidação +6 como o íon UO22+ (de cor amarela) é o estado mais estável em solução. O urânio no estado +5 como o íon UO2+ é incolor, bastante instável e desproporcionado (reage consigo mesmo) para formar os estados +6 e +4. O estado +4 (verde) é razoavelmente estável em solução, mas o estado +3 (verde escuro ou vermelho escuro dependendo da fonte de iluminação – luz diurna versus luz fluorescente) é instável e oxida facilmente até +4. O estado +4 em soluções de pH quase neutro hidrolisa facilmente para formar precipitados oxi-hidróxido preto.
Usos
Uranio era usado como corante em esmaltes cerâmicos e vidro na Roma antiga e na Idade Média produzindo tons de vermelho alaranjado a amarelo limão. Mais recentemente foi usado como um esmalte laranja na louça contemporânea do Fiestaware©, mas mais tarde foi descontinuado por razões de saúde. Muitos usos contemporâneos do urânio exploram suas propriedades nucleares únicas. O urânio-235 tem a distinção de ser o único isótopo físsil que ocorre naturalmente. Isto significa que ele pode ser dividido em dois ou três fragmentos (produtos de fissão) por neutrões térmicos. O urânio-238 é fissionável por nêutrons rápidos e é fértil, o que significa que pode ser transmutado em plutônio-239 físsil em um reator nuclear. Outro isótopo físsil, o urânio-233, pode ser produzido a partir do tório natural e também é importante na tecnologia nuclear. Enquanto o urânio-238 tem uma pequena probabilidade de fissão espontânea ou mesmo induzida com neutrões rápidos, o urânio-235 e, em menor grau, o urânio-233 têm uma secção transversal de fissão muito maior para os neutrões lentos. Em concentração suficiente, estes isótopos mantêm uma reacção em cadeia nuclear sustentada. Isto gera o calor nos reactores nucleares e produz o material físsil para as armas nucleares. Esta conversão nuclear pode ser realizada em reatores reprodutores onde é possível produzir mais material fissionável novo do que o material fissionável usado para manter a reação em cadeia. O urânio empobrecido (238U) (empobrecido de urânio-235) é usado na penetração de blindagem balística e como blindagem.
O urânio-238 não é físsil, mas é um isótopo fértil, pois após a ativação de nêutrons pode produzir plutônio-239, outro isótopo físsil. Na verdade, o núcleo238U pode absorver um nêutron para produzir o isótopo radioativo urânio-239. A 239U decai por emissão beta para o neptúnio-239, também um emissor beta, que por sua vez decai, em poucos dias, para o plutónio-239. O 239Pu foi usado como material físsil na primeira bomba atômica detonada no “Teste de Trindade” em 15 de julho de 1945, no Novo México.
O urânio-235 é ainda mais importante porque é a chave para a utilização do urânio. 235U, apesar de ocorrer em urânio natural até apenas 0,71%, é tão fissionável com neutrões lentos que uma reação auto-sustentável em cadeia de fissão pode ser feita em um reator construído com urânio natural e um moderador adequado, como água pesada ou grafite, sozinho.
O urânio-235 pode ser concentrado por difusão gasosa e outros processos físicos, se desejado, e usado diretamente como combustível nuclear, ao invés do urânio natural, ou usado como explosivo.
O urânio natural, ligeiramente enriquecido com 235U por uma pequena porcentagem, é usado para alimentar reatores de energia nuclear para gerar eletricidade. O tório natural pode ser irradiado com nêutrons para produzir o importante isótopo 233U como se segue: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Enquanto o tório em si não é fissionável, o 233U é, e desta forma pode ser usado como combustível nuclear. Um quilo de urânio completamente fissionado tem o valor do combustível de mais de 1500 toneladas de carvão.
Os usos dos combustíveis nucleares para gerar energia elétrica, para fazer isótopos para fins pacíficos, e para fazer explosivos são bem conhecidos. O urânio nos Estados Unidos é controlado pela Comissão Reguladora Nuclear dos EUA. Novos usos estão sendo encontrados para urânio empobrecido, ou seja, urânio com a porcentagem de 235U reduzida para cerca de 0,2%. O urânio é usado em dispositivos de orientação inercial, em girobússolas, como contrapesos para superfícies de controle de aeronaves, como lastro para veículos de reentrada de mísseis, e como material de proteção. O urânio metálico é usado em alvos de raios X para produção de raios X de alta energia; o nitrato já foi usado como toner fotográfico, e o acetato já foi usado em química analítica. Os cristais de nitrato de urânio são triboluminescentes. Os sais de urânio também têm sido usados para produzir vidros e vidrados amarelos de “vaselina”.
Perigos
Uranio e seus compostos são altamente tóxicos, tanto do ponto de vista químico como radiológico. O urânio metálico finamente dividido, sendo pirofórico, apresenta um risco de incêndio. Na natureza, o U(VI) forma complexos carbonatados altamente solúveis a pH alcalino. Isto leva a um aumento na mobilidade e disponibilidade do urânio para as águas subterrâneas e para o solo a partir de depósitos de resíduos nucleares, o que leva a riscos para a saúde. Trabalhar com urânio requer o conhecimento das concentrações máximas permitidas que podem ser inaladas ou ingeridas. Recentemente, a presença natural de urânio em muitos solos tornou-se uma preocupação para os proprietários de casas devido à geração de gás radônio radioativo e suas filhas, particularmente em espaços confinados com baixa circulação, tais como porões.
Atualizado pelo Dr. David Hobart, 23 de julho de 2013