Уран, применение урана

Муниципальное бюджетное

общеобразовательное учреждение «Лицей №1»

муниципального образования

«город Бугуруслан»

«Уран, применение урана»

Городская научно-исследовательская

конференция

«Маленький шаг - большая наука»

Работу выполнил

ученик 10 класса

МБОУ Лицей №1

Насыров Набиль Наильевич

Руководитель

Идигишева Нурслу Кубашевна

Бугуруслан, 2022-2023

Содержание

Введение ………………………………………………………………………………..……………………………………………………………….………….3

Общая характеристика урана……………………………….…………………………………………………………………………….………..4

Нахождение в природе………………………………………………………………………………………………………………………..……….5

История открытия урана ……………………………….…………………………..…………………………………………………………..…….6

Физические свойства……………………………………….………………………..…………………………………………………………………7

Химические свойства……………………………………..………………………..………………………………………………………….…..8-10

Свойства простого вещества……………………….……………………..………………………………………………………………8

Соединения уранаIII……………………………….…………………..…………………………………………………………..…………9

Соединения уранаIV………………………………………………….………………………………………………………….………9-10

Соединения уранаV………………………..……………………………………………………………………………………..…………10

Соединения уранаVI……………………….……………………….…………………………………………………………….………..10

Физиологическое действие...………………………..……………….………………………………………………………………….………11

Получение урана………………………………………….………………..……………………………………………………………………………12

Применение урана…………………………………………..…………..…………………………………………………………………..……13-14

Ядерное топливо…………………………………………….……………………………………………………………………………….13

Ядерное оружие…………………………………….……..…………………………………………………………………….…………..13

Геология……………………………………………………………………..………………………………………………….……………13-14

Другие сферы применения…………………………..……..…………………………………………………………………………14

Заключение……………………………………………………………..…………..…………………………………………………………………..……….15

Список литературы………………………………………………………………………..………………………………………………………………...16

Введение

В работе по теме: «Уран, применение урана» представлена характеристика урана - химического элемента урана – простого вещества, свойства соединений урана. Сообщается история открытия урана. Раскрыта суть явления радиоактивности и вклад ученых всего Мира в развитие теории радиоактивности. Сообщается о различных областях применения урана, основанных на свойстве радиоактивности, физиологическом действии на организм.

Цель: изучить свойства урана и его применение в жизни человека

Задачи:

Изучить общую характеристику урана

Познакомиться с историей открытия урана

Выяснить, как в настоящее время используется уран

Общая характеристика урана

Уран (U, лат. uranium; устаревший вариант ураний) — химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса — 238,029; относится к семейству актиноидов. Уран — слаборадиоактивный элемент, он не имеет стабильных изотопов. Самыми распространёнными изотопами урана являются уран-238 (имеет 146 нейтронов, в природном уране составляет 99,3 %) и уран-235 (143 нейтрона, природная распространённость 0,7204 %).

Нахождение в природе

Уран является элементом с самым большим номером из встречающихся в больших количествах. Содержание в земной коре составляет 0,00027 % (вес.), концентрация в морской воде — 3,2 мкг/л (по другим данным, 3,3·10^-7%). Количество урана в литосфере оценивается в 3 или 4·10⁻⁴%.

Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно богатых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах (алланит (Ca,LREE,Th)₂(Al,Fe⁺³)₃[SiO₄][Si₂O₇]OOH, монацит (La,Ce)PO₄, циркон ZrSiO₄, ксенотим YPO₄ и др.). Важнейшими урановыми рудами являются настуран (урановая смолка, уранинит) и карнотит. Основными минералами-спутниками минералов урана являются молибденит MoS₂, галенит PbS, кварц SiO₂, кальцит CaCO₃, гидромусковит и др.

Основными формами нахождений урана в природе являются уранинит, настуран (урановая смолка) и урановые черни. Они отличаются только формами нахождения; имеется возрастная зависимость: уранинит присутствует преимущественно в древних (докембрийских породах), настуран — вулканогенный и гидротермальный — преимущественно в палеозойских и более молодых высоко- и среднетемпературных образованиях; урановые черни — в основном в молодых — кайнозойских и моложе — образованиях преимущественно в низкотемпературных осадочных породах.

МинералОсновной состав минерала Содержание урана, %

УранинитUO2, UO3 + ThO2, CeO2 65-74

КарнотитK2(UO2)2(VO4)2·2H2O ~50

КазолитPbO2·UO3·SiO2·H2O ~40

Самарскит(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th)·(Nb, Ta, Ti, Sn)2O6 3,15-14

Браннерит(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15 40

ТюямунитCaO·2UO3·V2O5·nH2O 50-60

ЦейнеритCu(UO2)2(AsO4)2·nH2O 50-53

ОтенитCa(UO2)2(PO4)2·nH2O ~50

ШрекингеритCa3NaUO2(CO3)3SO4(OH)·9H2O 25

УранофанCaO·UO2·2SiO2·6H2O ~57

Фергюсонит(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4 0,2-8

ТорбернитCu(UO2)2(PO4)2·nH2O ~50

КоффинитU(SiO4)(OH)4 ~50

История открытия урана

Радиоактивный элемент - Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом при исследовании минерала «смоляной обманки». Назван им в честь планеты Уран, открытой английским астрономом Уильямом Гершелем в 1781 году. В металлическом состоянии уран был получен в 1841 году французским химиком Эженом Мелькьором Пелиго при восстановлении UCl4 металлическим калием. Радиоактивные свойства урана обнаружил в 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель.

Первоначально урану приписывали атомную массу 116, но в 1871 году русский[en] химик Дмитрий Иванович Менделеев пришел к выводу, что ее надо удвоить. После открытия элементов с атомными номерами от 90 до 103 американский[en] физик и химик Гленн Теодор Сиборг пришел к выводу, что эти элементы (актиноиды) правильнее располагать в периодической системе в одной клетке с элементом № 89 актинием. Такое расположение связано с тем, что у актиноидов происходит достройка 5 f-электоронного подуровня.

Даты и события в изучении урана

В 1789 году немецкий химик, иностранный почетный член Петербургской АН Мартин-Генрих Клапрот (1743-1817) открыл уран, ошибочно приняв за чистый металл диоксид урана. Назван в честь планеты Уран.

В 1841 году французский химик Эжен Пелиго (1811-1890) впервые получил уран в металлическом состоянии.

В 1896 году сын физика Александра Эдмона Беккереля, французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности урана.

В 1934 году французские исследователи Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности.

В 1935 году американский физик и химик Артур Джефри Демпстер (1886-1950) открыл изотопы урана: 234, 235 и 238.

В 1939 году немецкие физики Отто Ганн и Лиза Мейтнер провели первые эксперименты с искусственным делением ядер урана.

В 1939 году Фредерик Жолио-Кюри получил эффект цепной реакции при воздействии нейтронов на изотоп ²³⁵U.

Физические свойства урана

Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцевитый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Температура плавления 1132,3 °C. Уран имеет три кристаллические модификации:

α-U, (стабильна до 667,7 °C), ромбическая сингония, пространственная группа C mcm, параметры ячейки a = 0,2858 нм, b = 0,5877 нм, c = 0,4955 нм, Z = 4;

β-U, (стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), тетрагональная сингония, пространственная группа P 4₂/mnm, параметры ячейки a = 1,0759 нм, c = 0,5656 нм, Z = 30;

γ-U, (существующей от 774,8 °C до точки плавления), кубическая сингония, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,3524 нм, Z = 2.

Химические свойства урана

Свойства простого вещества

Химически уран весьма активен. Он быстро окисляется на воздухе и покрывается радужной плёнкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены в таблице.

Взаимодействует с водой, вытесняя водород, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана:

U + 2H2O → t UO2 + 2H2↑

В кислотах-неокислителях уран растворяется, образуя UO2 или соли U4+ (при этом выделяется водород). С кислотами-окислителями (азотной, концентрированной серной) уран образует соответствующие соли уранила UO22+

С растворами щелочей уран не взаимодействует.

При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Соединение урана III

Соли урана(+3) (преимущественно, галогениды) — восстановители. На воздухе при комнатной температуре они обычно устойчивы, однако при нагревании окисляются до смеси продуктов. Хлор окисляет их до UCl4. Образуют неустойчивые растворы красного цвета, в которых проявляют сильные восстановительные свойства:

4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + 2H2↑

Галогениды урана III образуются при восстановлении галогенидов урана (IV) водородом:

2UCl4 + H2 → 2UCl3 + 2HCl (550—590 оC)

или йодоводородом:

2UCl4 + 2HI → 2UCl3 + 2HCl + I2 (500 оC)

а также при действии галогеноводорода на гидрид урана UH3.

Кроме того, существует гидрид урана (III) UH3. Его можно получить, нагревая порошок урана в водороде при температурах до 225 оC, а выше 350 оC он разлагается. Большую часть его реакций (например, реакцию с парами воды и кислотами) можно формально рассматривать как реакцию разложения с последующей реакцией металлического урана:

UH3 + 3HCl → UCl3 + 3H2↑

2UH3 + 7Cl2 → 2UCl4 + 6HCl

Соединения урана IV

Урановый - химический термин, обозначающий восстановленный тетраположительный катион урана, обладающий валентностью U4+. Это одно из двух распространенных ионных состояний урана, встречающихся в природе, другим является окисленный гексаположительный ион, называемый уранилом. Соединения урана обычно нестабильны; они возвращаются в окисленную форму под воздействием воздуха.

Примеры таких соединений включают тетрахлорид урана (UCl4) и тетрафторид урана (UF4), которые важны в реакторах на расплавленной соли, и диоксид урана (UO2), распространенная форма ядерного топлива.

Сольватированные Ион U4+ обычно не присутствует в воде. Большинство соединений, таких как UCl4 лучше описывается ковалентной связью, чем ионной связью.

Минералы, содержащие ион урана, имеют более приглушенный цвет, обычно коричневый или черный, и встречаются в восстановительных средах. Распространенные минералы, содержащие уран, включают уранинит и коффинит.[1]

Соединения урана V

Соединения урана(+5) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

2UO2Cl → UO2Cl2 + UO2

Хлорид урана V при стоянии частично диспропорционирует:

2UCl5 → UCl4 + UCl6

а частично отщепляет хлор:

2UCl5 → 2UCl4 + Cl2

Соединения урана VI

Степени окисления +6 соответствует оксид UO3. В кислотах он растворяется с образованием соединений катиона уранила UO22+:

UO3 + 2CH3COOH → UO2(CH3COO)2 + H2O

C основаниями UO3 (аналогично CrO3, MoO3 и WO3) образует различные уранат-анионы (в первую очередь, диуранат U2O72-). Последние, однако, чаще получают действием оснований на соли уранила:

2UO2(CH3COO)2 + 6NaOH → Na2U2O7 + 4CH3COONa + 3H2O

Из соединений урана (+6), не содержащих кислород, известны только гексахлорид UCl6 и фторид UF6. Последний играет важнейшую роль в разделении изотопов урана.

Соединения урана (+6) наиболее устойчивы на воздухе и в водных растворах. Ураниловые соли, такие, как уранилхлорид, распадаются на ярком свету или в присутствии органических соединений.Уран также образует ураноорганические соединения.

Физиологическое действие

В микроколичествах (10-5-10-8%) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В золе растений (при содержании уран в почве около 10-4%) его концентрация составляет 1,5·10-5%. В наибольшей степени уран накапливается некоторыми грибами и водорослями (последние активно участвуют в биогенной миграции урана по цепи вода - водные растения - рыба - человек). В организм животных и человека уран поступает с пищей и водой в желудочно-кишечный тракт, с воздухом в дыхательные пути, а также через кожные покровы и слизистые оболочки. Соединения уран всасываются в желудочно-кишечном тракте - около 1% от поступающего количества растворимых соединений и не более 0,1% труднорастворимых; в легких всасываются соответственно 50% и 20%. Распределяется уран в организме неравномерно.

Основное депо (места отложения и накопления) - селезенка, почки, скелет, печень и, при вдыхании труднорастворимых соединений, - легкие и бронхолегочные лимфатические узлы. В крови уран (в виде карбонатов и комплексов с белками) длительно не циркулирует. Содержание уран в органах и тканях животных и человека не превышает 10-7 г/г. Так, кровь крупного рогатого скота содержит 1·10-8 г/мл, печень 8·10-8 г/г, мышцы 4·10-11 г/г, селезенка 9·10-8 г/г. Содержание урана в органах человека составляет: в печени 6·10-9 г/г, в легких 6·10-9-9·10-9г/г.

По данным Международной комиссии по радиационной защите, среднее содержание урана в организме человека 9·10-5 г. Эта величина для различных районов может варьировать. Полагают, что уран необходим для нормальной жизнедеятельности животных и растений.

Токсическое действие урана обусловлено его химические свойствами и зависит от растворимости: более токсичны уранил и других растворимые соединения урана. Отравления ураном и его соединениями возможны на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и других промышленного объектах, где он используется в технологическом процессе. При попадании в организм уран действует на все органы и ткани, являясь общеклеточным ядом. Признаки отравления обусловлены преимущественным поражением почек (появление белка и сахара в моче, последующая олигурия); поражаются также печень и желудочно-кишечный тракт. Различают острые и хронические отравления; последние характеризуются постепенным развитием и меньшей выраженностью симптомов. При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения, нервной системы и др. Полагают, что молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов.

Получение урана

Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Извлечение урана начинается с получения концентрата. Руды выщелачивают растворами серной, азотной кислот или щелочью. В полученном растворе всегда содержатся примеси других металлов. При отделении от них урана, используют различия в их окислительно-восстановительных свойствах. Окислительно-восстановительные процессы сочетают с процессами ионного обмена и экстракции.

Из полученного раствора уран извлекают в виде оксида или тетрафторида UF4, методом металлотермии — химическая формула:

UF4+ 2Mg = 2MgF2 + U

Образовавшийся уран содержит в незначительных количествах примеси бор, кадмий и некоторых других элементов, так называемых реакторных ядов. Поглощая образующиеся при работе ядерного реактора нейтроны, они делают уран непригодным для использования в качестве ядерного горючего.

Чтобы избавиться от примесей, металлический уран растворяют в азотной кислоте, получая уранилнитрат UO2(NO3)2. Уранилнитрат экстрагируют из водного раствора трибутилфосфатом. Продукт очистки из экстракта снова переводят в оксид урана или в тетрафторид, из которых вновь получают металл.

Часть урана получают регенерацией отработавшего в реакторе ядерного горючего. Все операции по регенерации урана проводят дистанционно.

Применение урана

Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение изотопа 235U из природного урана — сложная технологическая проблема.

Приведём некоторые цифры для реактора мощностью 1000 МВт, работающего с нагрузкой в 80 %, и вырабатывающего 7000 ГВт·ч в год. Работа одного такого реактора в течение года требует 20 тонн уранового топлива с содержанием 3,5 % 235U, который получают после обогащения примерно 153 тонн природного урана.

Изотоп 238U способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может превращаться в 239Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в качестве топлива, например, KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

Ядерное оружие

Существует ряд веществ, способных привести к цепной реакции деления. В ядерном оружии используются уран-235 или плутоний-239. Уран в природе встречается в виде смеси трёх изотопов: 238U (99,2745 % природного урана), 235U (0,72 %) и 234U (0,0055 %). Цепную ядерную реакцию поддерживает только изотоп 235U. Для обеспечения максимальной энергоёмкости уранового взрывного устройства (урановой ядерной бомбы) содержание 235U в нём должно быть не менее 80 %. Поэтому при производстве оружейного урана для повышения доли 235U выполняют обогащение урана. Обычно в ядерном оружии используют 235U с обогащением выше 90 %, либо 239Pu с обогащением 94 %. Также были созданы экспериментальные ядерные заряды на базе 233U, но 233U не нашёл применения в ядерном оружии, несмотря на меньшую критическую массу урана-233 по сравнению с ураном-235, из-за примеси 232U, продукты распада которого создают жёсткое проникающее излучение для персонала, обслуживающего такое ядерное оружие.

Геология

Основное применение урана в Геологии — определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

Другие сферы применения

Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).

Небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу (урановое стекло).

Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.

Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

Некоторые соединения урана светочувствительны.

Заключение

Таким образом, в данной информационно-реферативной работе были обобщены сведения о всех свойствах, истории открытий и сферах применения урана.

Список литературы

Уран: свойства, история открытий и применение

school-science.ru›10/11/45269

https://ru.wikipedia.org/wiki/Ядерное_оружие

https://ueip.org/technology/poluchenie-urana

Применение урана | УЭХК | Ядерное топливо

ueip.org›technology/primenenie-urana.htm

Уран | Производство

allmetals.ru›Уран›Производство

Свойства простого вещества | 4.Изотопы урана.

studfile.net›preview/9507006/page:2/

Уран - описание, получение, применение, химические...

chem.ru›Уран