Înapoi la lista de elemente
 |
Oxizii de uraniu(VI) sau „yellow cake” reprezintă o etapă intermediară în procesul de prelucrare a minereurilor de uraniu. |
Uraniu
| Numărul atomic: | 92 | Razonul atomic: | 240 pm (Van der Waals) |
| Simbolul atomic: | U | Punct de topire: | 1133 °C |
| Greutate atomică: | |||
| : | 238 | Punctul de fierbere: | 4131 °C |
| Configurația electronică: | 7s25f36d1 | State de oxidare: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Istorie
Utilizarea uraniului în forma sa naturală de oxid datează din anul 79 d.Hr. când a fost folosit ca agent de colorare galbenă în smalțurile ceramice. Sticla galbenă cu 1% oxid de uraniu a fost găsită într-o vilă romană antică de lângă Napoli, Italia. La sfârșitul Evului Mediu, pechblenda a fost extrasă din minele de argint și a fost folosită ca agent colorant în industria sticlăriei. Identificarea uraniului ca element este, în general, atribuită lui Martin H. Klaproth. În timp ce făcea experimente cu pechblenda în 1789, acesta a ajuns la concluzia că aceasta conținea un nou element, pe care l-a numit după planeta Uranus, recent descoperită (după numele zeului grec al cerului). Ceea ce Klaproth a identificat de fapt nu a fost elementul pur, ci oxidul de uraniu. Metalul pur a fost izolat pentru prima dată în 1841 de către Eugène-Melchior Péligot, care a redus tetraclorura de uraniu anhidră cu potasiu metalic.
În 1896, Antoine H. Becquerel a descoperit că uraniul prezenta lumină sau raze invizibile; era vorba de radioactivitate. În 1934, cercetările lui Enrico Fermi și ale altora au dus în cele din urmă la utilizarea fisiunii uraniului în prima armă nucleară folosită în război și, mai târziu, la utilizarea pașnică a uraniului ca și combustibil în producția de energie nucleară. Cursa înarmărilor care a urmat în timpul Războiului Rece dintre Statele Unite și Uniunea Sovietică a produs zeci de mii de arme nucleare care au folosit uraniu metalic și plutoniu 239 derivat din uraniu. Securitatea acestor arme și a materialului fisionabil al acestora după destrămarea Uniunii Sovietice în 1991 reprezintă o preocupare permanentă.
În 1972, fizicianul francez Francis Perrin a descoperit reactoare nucleare naturale de fisiune preistorice antice și care nu mai sunt active în depozitele de minereu de uraniu de la mina Oklo din Gabon, Africa de Vest, cunoscute sub denumirea colectivă de Reactoare fosile Oklo. Zăcământul de minereu are o vechime de 1,7 miliarde de ani; la acea vreme, uraniul-235 constituia aproximativ 3% din totalul uraniului de pe Pământ (0,72% în prezent). Această cantitate este suficient de mare pentru a permite producerea unei reacții de fisiune nucleară în lanț susținute, cu condiția existenței altor condiții geologice de susținere.
Izotopi
Uraniul este slab radioactiv, deoarece toți izotopii naturali (sau primordiali) ai uraniului (238U, 235U și 234U) sunt instabili, cu timpi de înjumătățire care variază între 159.200 de ani și 4,5 miliarde de ani. Există 27 de izotopi de uraniu cunoscuți, cu greutăți atomice cuprinse între 217-219, 222-240 și 242, cu timpi de înjumătățire de la miliarde de ani la câteva nanosecunde. Uraniul natural este format din trei izotopi principali: 238U (99,28% din abundență), 235U (0,71%) și 234U (0,0054%). (DOE din SUA a adoptat valoarea de 0,711 ca fiind procentul lor oficial de 235U în uraniul natural). Toți cei trei izotopi sunt radioactivi, cu probabilități mici de a suferi fisiune spontană, dar care se dezintegrează preferențial prin emisie alfa. Timpul de înjumătățire al uraniului-238 este de aproximativ 4,47 miliarde de ani, iar cel al uraniului-235 este de 704 milioane de ani, ceea ce îi face utili în datarea vârstei Pământului. Aceasta sugerează, de asemenea, că jumătate din uraniul care a existat de la formarea Pământului s-a descompus în alte elemente radioactive și, în cele din urmă, în elemente stabile. Se crede că o mare parte din căldura internă a Pământului poate fi atribuită dezintegrării radioizotopilor de uraniu și de toriu.
Uraniul-238 este un emițător de particule α (ocazional, suferă fisiune spontană), care se dezintegrează prin „seria de dezintegrare nucleară a uraniului”, care are 18 membri, toți aceștia dezintegrându-se în cele din urmă în plumb-206, printr-o varietate de căi de dezintegrare diferite. Seria de dezintegrare a 235U, numită „seria actiniului”, are 15 membri, care se descompun în cele din urmă în plumb-207. Ratele constante de dezintegrare din aceste serii de dezintegrare fac ca compararea rapoartelor dintre elementele părinte și fiică să fie utilă în datarea radiometrică. Uraniul-234 este un membru al „seriei uraniului” și se dezintegrează în plumb-206 printr-o serie de izotopi cu durată de viață relativ scurtă. Uraniul 233 este obținut din toriu 232 prin bombardament cu neutroni, de obicei într-un reactor nuclear, iar 233U este, de asemenea, fisionabil. Seria sa de dezintegrare se termină cu thallium-205.
Surse
Uraniul este cel mai greu element natural disponibil în cantități mari. Elementele „transuranice” mai grele sunt fie fabricate de om, fie există doar în cantități infime în depozitele de minereu de uraniu, ca produse de activare. Uraniul se găsește în mod natural în concentrații mici, de câteva părți pe milion, în sol, roci și apă, și este extras în scopuri comerciale din minerale care conțin uraniu. Uraniul, care nu mai este atât de rar cum se credea odată, este considerat în prezent mai abundent decât mercurul, antimoniul, argintul sau cadmiul și este aproape la fel de abundent ca molibdenul sau arsenicul. Se găsește în numeroase minerale naturale, cum ar fi pechblenda, uraninitul, carnotita, autunita, uranofana și tobernita. Se găsește, de asemenea, în roci fosfatice, lignit, nisipuri de monazit și este recuperat comercial din aceste surse. Departamentul de Energie al Statelor Unite achiziționează uraniu sub formă de concentrate acceptabile de U3O8. Acest program de stimulare a crescut foarte mult rezervele cunoscute de uraniu.
Proprietăți
Uraniul pur este un metal alb-argintiu, slab radioactiv, care este mai dur decât majoritatea elementelor. Este maleabil, ductil, ușor paramagnetic, puternic electropozitiv și este un conductor electric slab. Uraniul metalic are o densitate foarte mare, fiind cu aproximativ 70% mai dens decât plumbul, dar puțin mai puțin dens decât aurul. Uraniul metal prezintă în trei modificări cristalografice: alfa –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. Uraniul este piroforic atunci când este fin divizat. Este puțin mai moale decât oțelul și este atacat de apa rece în stare fin divizată. în aer, uraniul metalic se acoperă cu un strat de oxid. Acizii dizolvă metalul, formând starea de oxidare +3, care se oxidează rapid prin apă și aer pentru a forma stări de oxidare superioare. Uraniul metalic nu este afectat de alcalii. Uraniul metalic poate fi preparat prin reducerea halogenurilor de uraniu cu metale alcaline sau alcalino-pământoase sau prin reducerea oxizilor de uraniu cu calciu, aluminiu sau carbon la temperaturi ridicate. Metalul poate fi, de asemenea, produs prin electroliza KUF5 sau UF4, dizolvat într-un amestec de săruri topite de CaCl2 și NaCl. Uraniul de înaltă puritate poate fi preparat prin descompunerea termică a halogenurilor de uraniu pe un filament fierbinte.
Uraniul metalic reacționează cu aproape toate elementele nemetalice și compușii acestora, reactivitatea crescând cu temperatura. Acizii clorhidric și azotic dizolvă uraniul, dar acizii neoxidanți, alții decât acidul clorhidric, atacă foarte lent elementul. Atunci când este fin divizat, acesta poate reacționa cu apa rece. În aer, uraniul metalic se oxidează și se acoperă cu un strat întunecat de oxid de uraniu. Uraniul formează o varietate de aliaje și compuși, cele mai importante stări de oxidare fiind uraniul (IV) și uraniul (VI), iar cei doi oxizi corespunzători acestora sunt, respectiv, dioxidul de uraniu, UO2 și trioxidul de uraniu, UO3. În afară de oxizi, alți compuși importanți ai uraniului includ fluoruri, cloruri, bromuri, ioduri, carbonați, hidruri, carburi, nitruri, fosfați etc. La temperatura camerei, hexafluorura de uraniu, UF6, are o presiune de vapori ridicată, ceea ce o face utilă în procesul de difuzie gazoasă utilizat pentru a separa izotopul rar U-235 de izotopul comun U-238. Hidrurile, nitrurile și carburile de uraniu sunt compuși semimetalici relativ inerți, care sunt puțin solubili în acizi și care au fost utilizați ca granule stabile de combustibil în tehnologia reactoarelor nucleare.
Uraniul există în soluții apoase în stările de oxidare +3, +4, +5 și +6. Starea de oxidare +6 sub forma ionului UO22+ (de culoare galbenă) este cea mai stabilă stare în soluție. Uraniul în starea +5 ca ion UO2+ este incolor, destul de instabil și se disproporționează (reacționează cu el însuși) pentru a forma stările +6 și +4. Starea +4 (verde) este rezonabil de stabilă în soluție, dar starea +3 (verde închis sau roșu închis în funcție de sursa de iluminare – lumină naturală vs. lumină fluorescentă) este instabilă și se oxidează ușor la +4. Starea +4 în soluții cu pH aproape neutru se hidrolizează cu ușurință pentru a forma precipitate negre de oxi-hidroxizi.
Utilizări
Uraniul a fost folosit ca agent de colorare în smalțurile ceramice și în sticlă în Roma antică și în Evul Mediu, producând nuanțe de la roșu-portocaliu la galben-lămâie. Mai recent, a fost folosit ca smalț portocaliu în vesela contemporană Fiestaware©, dar a fost ulterior întrerupt din motive de sănătate. Multe utilizări contemporane ale uraniului exploatează proprietățile sale nucleare unice. Uraniul-235 are distincția de a fi singurul izotop fisionabil din natură. Aceasta înseamnă că poate fi divizat în două sau trei fragmente (produse de fisiune) de către neutronii termici. Uraniul-238 este fisionabil prin neutroni rapizi și este fertil, ceea ce înseamnă că poate fi transmutat în plutoniu-239 fisionabil într-un reactor nuclear. Un alt izotop fisionabil, uraniul 233, poate fi produs din toriu natural și este, de asemenea, important în tehnologia nucleară. În timp ce uraniul-238 are o mică probabilitate de fisiune spontană sau chiar de fisiune indusă cu neutroni rapizi, uraniul-235 și, într-o măsură mai mică, uraniul-233 au o secțiune transversală de fisiune mult mai mare pentru neutroni lenți. În concentrații suficiente, acești izotopi mențin o reacție nucleară în lanț susținută. Aceasta generează căldura din reactoarele nucleare și produce materialul fisionabil pentru armele nucleare. Această conversie nucleară poate fi realizată în reactoarele de reproducere, unde este posibil să se producă mai mult material fisionabil nou decât materialul fisionabil utilizat pentru a menține reacția în lanț. Uraniul sărăcit (238U) (sărăcit de uraniu-235) este utilizat în penetrarea blindajelor balistice și ca blindaj.
Uraniul-238 nu este fisionabil, dar este un izotop fertil, deoarece după activarea neutronică poate produce plutoniu-239, un alt izotop fisionabil. Într-adevăr, nucleul238U poate absorbi un neutron pentru a produce izotopul radioactiv uraniu-239. 239U se dezintegrează prin emisie beta în neptuniu-239, de asemenea un emițător beta, care se dezintegrează la rândul său, în câteva zile, în plutoniu-239. 239Pu a fost utilizat ca material fisionabil în prima bombă atomică detonată în cadrul „testului Trinity” la 15 iulie 1945 în New Mexico.
Uraniul-235 are o importanță și mai mare, deoarece este cheia utilizării uraniului. 235U, deși se găsește în uraniul natural în proporție de numai 0,71%, este atât de fisionabil cu neutroni lenți încât se poate realiza o reacție de fisiune în lanț autoîntreținută într-un reactor construit numai din uraniu natural și un moderator adecvat, cum ar fi apa grea sau grafitul.
Uraniul-235 poate fi concentrat prin difuzie gazoasă și alte procese fizice, dacă se dorește, și utilizat direct ca și combustibil nuclear, în locul uraniului natural, sau utilizat ca exploziv.
Uraniul natural, ușor îmbogățit cu 235U într-un procent mic, este utilizat pentru a alimenta reactoarele nucleare de putere pentru a produce energie electrică. Toriul natural poate fi iradiat cu neutroni pentru a produce importantul izotop 233U, după cum urmează: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. În timp ce thoriul în sine nu este fisionabil, 233U este și, în acest fel, poate fi utilizat ca și combustibil nuclear. O livră de uraniu complet fisionat are valoarea de combustibil a peste 1500 de tone de cărbune.
Utilizările combustibililor nucleari pentru a genera energie electrică, pentru a produce izotopi în scopuri pașnice și pentru a produce explozibili sunt bine cunoscute. Uraniul din S.U.A. este controlat de Comisia de reglementare nucleară din S.U.A.. Se găsesc noi utilizări pentru uraniul sărăcit, adică uraniu cu un procent de 235U redus la aproximativ 0,2%. Uraniul este utilizat în dispozitivele de ghidare inerțială, în busolele giroscopice, ca contragreutăți pentru suprafețele de control ale aeronavelor, ca balast pentru vehiculele de reintrare a rachetelor și ca material de ecranare. Uraniul metalic este folosit pentru ținte de raze X pentru producerea de raze X de înaltă energie; nitratul a fost folosit cândva ca toner fotografic, iar acetatul a fost folosit cândva în chimia analitică. Cristalele de nitrat de uraniu sunt triboluminescente. Sărurile de uraniu au fost, de asemenea, utilizate pentru producerea de sticlă galbenă „vaselină” și glazuri.
Riscuri
Uraniul și compușii săi sunt foarte toxici, atât din punct de vedere chimic, cât și radiologic. Uraniul metalic fin divizat, fiind piroforic, prezintă un pericol de incendiu. În natură, U(VI) formează complecși carbonați foarte solubili la pH alcalin. Acest lucru duce la o creștere a mobilității și a disponibilității uraniului în apele subterane și în solul din depozitele de deșeuri nucleare, ceea ce conduce la pericole pentru sănătate. Lucrul cu uraniu necesită cunoașterea concentrațiilor maxime admisibile care pot fi inhalate sau ingerate. Recent, prezența naturală a uraniului în multe soluri a devenit un motiv de îngrijorare pentru proprietarii de locuințe din cauza generării de gaz radon radioactiv și a fiicelor acestuia, în special în spațiile închise cu circulație redusă, cum ar fi subsolurile.
Actualizat de Dr. David Hobart, 23 iulie 2013
.