Технология производства неорганических веществ (Раздел «Технология урана»)

Уран

Уран (лат. Uranium), U (читается «уран»), радиоактивный химический элемент с атомным номером 92, атомная масса 238,0289. Актиноид.

Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом при исследовании минерала «смоляной обманки».

Назван им в честь планеты Уран, открытой Уильямом Гершелем в 1781 году.

В металлическом состоянии уран получен в 1841 году французским химиком
Эженом Пелиго при восстановлении UCl₄ металлическим калием.

Радиоактивные свойства урана обнаружил в 1896 году француз
Антуаном Анри Беккерелем, а в 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что излучение урана делится на 2 типа α и β лучи.

Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 году
Дмитрий Иванович Менделеев пришел к выводу, что ее надо удвоить.

Уран - характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры.

Содержание в земной коре 2,5·10^-4 % по массе.

В морской воде концентрация урана менее 10^-9 г/л.

Всего в морской воде содержится от 10⁹ до 10¹⁰ тонн урана.

В свободном виде уран в земной коре не встречается.

Известно около 100 минералов урана, важнейшие из них настуран U₃O₈, уранинит (U, Th) O₂, урановая смоляная руда (содержит оксиды урана переменного состава) и тюямунит Ca[UO₂][V₂O₈]·8H₂O.

Уран - серебристо-белый блестящий металл.

Металлический уран существует в трех аллотропических модификациях.

До 669°C устойчива α-модификация с орторомбической решеткой.

От 669°C до 776°C устойчива β-модификация с тетрагональной решеткой.

До температуры плавления 1135^оC устойчива γ-модификация с кубической объемно-центрированной решеткой.

Температура кипения урана 4200°C.

Химическая активность металлического урана высока.

На воздухе он покрывается пленкой оксида.

Порошкообразный уран пирофорен, при сгорании урана и термическом разложении многих его соединений на воздухе образуется оксид урана U₃O₈.

Если этот оксид нагревать в атмосфере водорода при температуре выше
500 °C, образуется диоксид урана UO₂

U₃O₈ + 2 Н₂ = 3UO₂ + 2Н₂О

Если уранилнитрат UO₂(NO₃)₂ нагреть при 500°C, то, разлагаясь, он образует триоксид урана UO₃.

При сплавлении оксидов урана с оксидами других металлов образуются уранаты: К₂UO₄ (уранат калия), СаUO₄ (уранат кальция), Na₂U₂O₇ (диуранат натрия).

Взаимодействуя с галогенами, уран дает галогениды урана.

Среди них гексафторид UF₆ представляет собой желтое кристаллическое вещество, легко сублимирующееся, то есть переходящее из твёрдого состояния в газообразное без пребывания в жидком состоянии, даже при слабом нагревании
(40–60 °C) и столь же легко гидролизующееся водой.

Важнейшее практическое значение имеет гексафторид урана UF₆.

Получают его взаимодействием металлического урана, оксидов урана или UF₄ с фтором или фторирующими агентами BrF₃, СCl₃F (фреон-11) или ССl₂F₂ (фреон-12)

U₃O₈+ 6CCl₂F₂ = 3UF₄ + 2COCl₂ + 3CO₂ + Cl₂

UF₄+ F₂= UF₆

U₃O₈+ 9F₂ =3UF₆+ 4O₂

Известны фториды и хлориды, отвечающие степеням окисления
урана +3, +4, +5, +6.

Получены бромиды урана UBr₃, UBr₄ и UBr₅, а также иодиды урана UI₃ и UI₄.

Синтезированы такие окси галогениды урана, как UO₂Cl₂ UOCl₂ и другие.

При взаимодействии урана с водородом образуется гидрид урана UH₃, обладающий высокой химической активностью.

При нагревании гидрид разлагается, образуя водород и порошкообразный уран.

При спекании урана с бором возникают, в зависимости от молярного отношения реагентов и условий проведения процесса, бориды UB₂, UB₄ и UB₁₂.

С углеродом уран образует три карбида UC, U₂C₃ и UC₂.

Взаимодействием урана с кремнием получены силициды U₃Si, U₃Si₂, USi, U₃Si₅, USi₂ и U₃Si₂.

Получены нитриды урана (UN, UN₂, U₂N₃) и фосфиды урана
(UP, U₃P₄, UP₂).

С серой уран образует ряд сульфидов: U₃S₅, US, US₂, US₃ и U₂S₃.

Металлический уран растворяется в HCl и HNO₃, медленно реагирует с H₂SO₄ и H₃PO₄. Возникают соли, содержащие катион уранила (UO₂)⁺².

В водных растворах существуют соединения урана в степенях окисления
от +3 до +6.

Ион U⁺³ в растворе неустойчив, ион U⁺⁴ стабилен в отсутствие воздуха.

Катион UO⁺² нестабилен и в растворе диспропорционирует на U⁺⁴ и UO₂⁺².

Ионы U⁺³ имеют характерную красную окраску, ионы U⁺⁴ - зеленую, ионы UO₂⁺² - желтую.

В растворах наиболее устойчивы соединения урана в степени окисления +6.

Все соединения урана в растворах склонны к гидролизу и комплекс образованию, наиболее сильны - катионы U⁺⁴ и UO₂⁺².

Металлический уран и его соединения используются в основном в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах.

Мало обогащённая смесь изотопов урана применяется в стационарных реакторах атомных электростанций.

Продукт высокой степени обогащения - в ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах.

²³⁵U является источником ядерной энергии в ядерном оружии.

²³⁸U служит источником вторичного ядерного горючего - плутония.

3