Urán - chemická škola
urán (pomenovaný po planéte Urán) je chemický prvok so symbolom prvku U a atómovým číslom 92. V periodickej tabuľke je v skupine aktinidov (7. obdobie, f-blok). Urán je kov, ktorého izotopy sú všetky rádioaktívne. Urán prirodzene sa vyskytujúci v mineráloch pozostáva z asi 99,3% izotopu 238 U a 0,7% z 235 U.
Urán získal mimoriadny význam po objavení štiepenia jadra v roku 1938: izotop uránu 235 U možno štiepiť tepelnými neutrónmi; Okrem extrémne vzácneho 239 Pu je to jediný známy prirodzene sa vyskytujúci nuklid, ktorý je schopný reťazovej reakcie na jadrové štiepenie. Preto sa používa ako primárny zdroj energie v jadrových elektrárňach a jadrových zbraniach.
príbeh
Urán izoloval z minerálu pitchblende v roku 1789 nemecký profesor chémie a lekárnik Martin Heinrich Klaproth (1743–1817), ktorý vtedy žil v Berlíne. Je pomenovaná podľa planéty Urán (a teda podľa gréckeho boha Urana), ktorú objavil o osem rokov skôr (1781) Friedrich Wilhelm Herschel (1738–1822). 24. septembra 1789 Klaproth objav oznámil v prejave pred Pruskou akadémiou vied. Prvý bol jeho objav Uranit volal, 1790 potom v Urán premenovaný. Klaproth objavil pri analýze rudy z bane „Georg Wagsfort“ vo Wittigsthalu neďaleko Johanngeorgenstadtu v Sasku. Rudu spracoval s kyselinou a prudko ju zahrial. Výsledkom bol čierny prášok, ktorý nazval urán.
Klaproth skutočne identifikoval nový prvok, ale to, čo získal, nebol samotný prvok urán, ale oxid. Až o päťdesiat rokov neskôr, v roku 1841, sa Francúzovi Eugène Peligotovi podarilo ťažiť čistý kov z uránu. V prvej polovici 19. storočia sa urán ťažil spolu s ďalšími minerálmi v St. Joachimsthal a v niektorých baniach v Cornwall (Anglicko).
Zlúčeniny uránu sa počas celého 19. storočia používali na farbenie skla a keramiky na vázy a ozdobné predmety, ale tiež predmety každodennej potreby, ako sú misky, poháre atď., Na žltozelenú farbu (ana green). Výrobcovia skla z Joachimsthalu (Čechy) používali túto techniku už v roku 1826. V používaní uránu na farbenie skla sa pokračovalo až do polovice 20. storočia, až potom bol nahradený inými, menej pochybnými farbiacimi minerálmi. Keramické glazúry od oranžovej po jasne červenú sa používajú na všetko od riadu po architektonické doplnky.
Až do 20. storočia sa dusičnan uranyl vo fotografii používal na hnedé a červené zafarbenie posuvných dosiek, platinových obrázkov a obrázkov bromidového striebra. [7]
Zdravotné riziká spojené s používaním alebo zberom uránového skla a keramiky s uránovou glazúrou sú stále predmetom sporov medzi zberateľmi a vedcami.
Antoine Henri Becquerel prvýkrát zistil, že urán je rádioaktívny v roku 1896.
Urán bol dlho považovaný za prvok s najvyšším atómovým číslom, ktoré sa prirodzene vyskytuje. V roku 1971 však boli zistené najmenšie stopy izotopu plutónia 244 Pu, takže plutónium nahradilo urán ako posledný známy prírodný prvok. [8]
Výskyt
Urán sa nevyskytuje prirodzene v prírode, ale vždy v mineráloch obsahujúcich kyslík. Medzi dôležité uránové minerály patria brannerit a uraninit (oxidy), torbernit, heinrichit a karnotit (fosfáty, arzeničnany a vanadičnany), ako aj koffinit a uranofan (kremičitany). Celkovo existuje asi 230 uránových minerálov, ktoré môžu mať tiež miestny hospodársky význam. V sedimentárnych ložiskách môžu tiež vznikať pseudomorfózy uránových minerálov (väčšinou uraninitu vo forme smoly) po fosílnom dreve alebo baktériách. [9]
Dva rozhodujúce faktory pre distribúciu rádioaktívneho prvku urán na zemi sú na jednej strane litofilný charakter prvku a jeho odlišná pohyblivosť vo vodných roztokoch za oxidačných a redukčných podmienok. Litofilný charakter zaisťuje, že sa urán hromadí v taveninách bohatých na kremičitany. Preto felsické magmatické horniny, ako napríklad žula ako plutonit alebo ryolit ako vulkanit, obsahujú najvyššie koncentrácie tohto prvku. Kontinentálna kôra je oblasť na Zemi s najvyššou úrovňou uránu v priemere 2,5 ppm, zatiaľ čo oceánska kôra a plášť majú rádovo nižšiu hladinu uránu. V magmatických horninách je urán zvyčajne zabudovaný do doplnkových minerálov, ako je zirkón alebo monazit, pomocou ktorých možno veľmi dobre datovať vek hornín.
Rozdielna rozpustnosť uránu za oxidačných alebo redukčných podmienok v roztokoch je druhým rozhodujúcim faktorom pre distribúciu prvku a hrá hlavnú úlohu pri tvorbe uránových usadenín. Za oxidačných podmienok (UO2 2+) je urán vo vodných roztokoch relatívne mobilný, zatiaľ čo za redukčných podmienok (U 4+) je ťažko rozpustný. Preto sú redoxné limity často faktormi riadiacimi vkladov pre prvok.
Na základe vyššie uvedených faktorov a niekoľkých ďalších existuje široká škála ložísk uránu od magmatických hydrotermálnych po sedimentárne typy. IAEA rozlišuje medzi dôležitými jednotlivými typmi.
Najvyšší obsah uránu sa dosahuje na ložiskách viazaných na nesúlad s priemerným obsahom uránu 0,3 až 20%. [10] V súčasnosti sú to dvaja najväčší producenti uránu. Najväčším zdrojom uránu na svete je Olympic Dam s dokázaným obsahom uránu viac ako 2 milióny ton pri priemernom obsahu uránu asi 0,03%. [11] Prvá na svete uránová baňa na urán v Jáchymove (Česká republika) vyrobená z hydrotermálnych žíl. [12]
Prírodné reaktory v Okone v Gabone, ako aj susedné ložisko uránu predstavujú zvláštnu vlastnosť: Je známe, že tam prebiehali reťazové reakcie asi pred 1,5 až 2 miliardami rokov po tisíce rokov v prírodnom prostredí, počas ktorých tiež vznikali izotopy plutónia.
Urán sa vyskytuje ako stopový prvok v normálnej pôde. Američan Agentúra pre register toxických látok a chorôb (ATSDR) odhaduje, že vrchných 33 cm pôdy na ploche jednej štvorcovej míle zeme obsahuje v priemere asi 4 tony uránu, t. J. Asi 1,5 tony na kilometer štvorcový.
Urán viazaný v komplexoch je tiež všadeprítomným prvkom hydrosféry. Koncentrácia uránu v morskej vode je približne 3,3 µg/l v porovnaní s niekedy významne nižšími koncentráciami v riekach (0,03 µg/l v Amazónii až 3,9 µg/l v Ganze. To ukazuje, že urán sa hromadí v morskej vode. Nemecké rieky majú zvyčajne koncentrácie uránu medzi 1 až 3 µg/l. Zdroj uránu spočíva v geogénnej štruktúre oblastí odvodňovaných riekami, napríklad povrchové vody z močiarov môžu obsahovať vyššie koncentrácie uránu a je preto prírodného pôvodu. Iba vo výnimočných prípadoch možno obsah uránu v riekach pripísať ľudskému vplyvu, napríklad použitiu fosforečnanových hnojív obsahujúcich urán a ťažbe uránu (Zwickauer Mulde: približne 10 µg/l). Urán sa v Nemecku nachádza v nedotknutej podzemnej vode v koncentráciách menších ako 1 až viac ako 100 µg/l. Pravidelná konzumácia pitnej vody so zvýšeným obsahom uránu môže viesť k rakovine obličiek. Z tohto dôvodu spoločnosť Weltgesundhe odporúča jeho úrad (WHO) stanovil pre pitnú vodu limitnú hodnotu 15 µg/l. [13]
Podľa Medzinárodnej agentúry pre atómovú energiu (IAEA) sú najväčšie zásoby uránovej rudy v USA, Nigeri, Austrálii, Kazachstane, Namíbii, Južnej Afrike, Kanade, Brazílii, Rusku, Ukrajine a Uzbekistane.
Stopy uránu sa nachádzajú aj v čiernom uhlí a lignite. Uhlie, ktoré sa ročne používa na výrobu elektriny na celom svete, obsahuje okolo 10 000 t uránu a 25 000 t tória, ktoré buď končia v životnom prostredí, alebo sa hromadia v elektrárni popol a prach z filtra. V niektorých prípadoch preto existujú snahy o extrakciu uránu z popola z elektrárne. [14]
Demontáž
V Nemecku sa urán stal konvenčným najskôr v Saskom Švajčiarsku (Königstein) a neskôr vylúhovaním, v Drážďanoch (Coschütz/Gittersee, najmä v Gittersee) a v Krušných horách (Schlema, Schneeberg, Johanngeorgenstadt, Pöhla) a vo východnom Durínsku (Ronneburg), väčšinou v podzemí ako smolič. ťaží bizmut SDAG. Malé množstvá sa vyťažili aj v Čiernom lese a pohorí Fichtel. V tom čase bola NDR tretím najväčším producentom uránu na svete. Väčšina ťažobných oblastí bola po roku 1990 uzavretá, pretože boli neekonomické a klesal aj dopyt po uráne. To sa stalo kvôli zmenenej politickej situácii vo svete (menší význam strategických jadrových zbraní) a nízkej cene na svetovom trhu.
Svetová produkcia uránu v roku 2006 bola 39 603 ton. Hlavnými producentskými krajinami sú Austrália, Kanada, Rusko, Niger, Namíbia, Kazachstan, Uzbekistan, Južná Afrika a USA. Celosvetová spotreba v roku 2006 predstavovala 66 500 ton a odhaduje ju Medzinárodná agentúra pre atómovú energiu (IAEA) na 93 775 až 121 955 ton v roku 2030 v dôsledku výstavby nových jadrových elektrární. Ťažba pokrýva asi 60% súčasného dopytu, zvyšok pokrývajú zásoby, prepracovanie a odzbrojenie jadrových zbraní. [15] Odhady MAAE, Greenpeace a jadrového priemyslu týkajúce sa rozsahu ložísk uránu vychádzajú z rôznych informácií o globálnych zdrojoch a budúcej spotrebe. Sú medzi 20 a 200 rokmi. [16]
Ťažba uránu vedie k poškodeniu ľudí a životného prostredia, pretože urán a rádioaktívne sekundárne produkty (napr. Rádioaktívny radón vzácneho plynu) sa uvoľňujú a vynášajú na povrch z podzemia. [17]
prezentácia
Spracovanie uránovej rudy
Uránové rudy, napr. B. uraninit (pitchblende, U3O8) alebo karnotit (KUO2VO4 1,5 H2O) sa štiepia kyslo pomocou kyseliny sírovej alebo zásadito pomocou sódy
Roztoky vytvorené po kyslom natrávení sa spracujú s amoniakom, potom sa vyzráža žltý koláč. Obsahuje hlavne diuranát amónny ((NH4) 2U2O7) a ďalšie polyuranáty, hydroxidy uranylu a sírany. Roztok alkalického rozkladu sa zmieša s NaOH, takže sa vyzráža diuranát sodný (Na2U2O7). Na odstránenie sodíka sa potom rozpustí v H2S04 a potom sa vyzráža ako (NH4) 2U2O7 vodným NH3.
„Žltý koláč“ sa rozpustí v kyseline dusičnej (HNO3), pričom sa vyzrážajú nerozpustné časti, ktoré sa odstránia filtráciou alebo odstredením. Surový uranylnitrát (UO2 (NO3) 2) potom môže kryštalizovať z roztoku. Roztok dusičnanu uranyl sa potom extrahuje tributylfosfátom (TBP) (proces PUREX), po odparení a premytí sa získa čistý uranyl dusičnan.
Starostlivá pyrolýza vedie k rôznym modifikáciám oxidu uránového (VI) (UO3) v závislosti od teploty a tlaku kyslíka. [18] [19] [20] Na zníženie hmotnosti počas prepravy sa „žltý koláč“ tepelne rozloží, čo má za následok čierny U3O8.