Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Рязанский институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Московский политехнический университет» Кафедра «Промышленное и гражданское строительство» РЕФЕРАТ по дисциплине «Химия» Уран и его сплавы Выполнил: студент 1 курса группы 239р13 направление подготовки 08.03.01 Урбанова Ирина Г Проверил Преподаватель Воробьева Елена Владимировна Рязань 2024 Содержание. Введение. Основная часть. Химические и физические свойства урана. Состояние минерально-сырьевой базы мира и России. Энергетическое сырье. Заключение. Список литературы. Введение. Уран, элемент с порядковым номером 92, самый тяжелый из встречающихся в природе. Использовался он еще в начале нашей эры, осколки керамики с желтой глазурью (содержащие более 1% оксида урана) находились среди развалин Помпеи и Геркуланума. Уран был открыт в 1789 году в урановой смолке немецким химиком Мартоном Генрихом Клапротом, назвавшего его в честь планеты уран, открытой в 1781. Впервые получил металлический уран французский химик Юджин Пелиго в 1841, восстановив безводный тетрахлорид урана калием. В 1896 году Антуан-Анри Беккерель открывает явление радиоактивности урана случайным засвечиванием фотопластинок ионизирующим излучением от оказавшегося поблизости кусочка соли урана. Основная часть Химические и физические свойства урана Уран очень тяжелый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667.7 °C), бета (четырехугольная, стабильна от 667.7 до 774.8 °C), гамма (с объемно центрированной кубической структурой, существующей от 774.8 °C до точки плавления), в которых уран наиболее податлив и удобен для обработки. Альфа-фаза - очень примечательный тип призматической структуры, состоящей из волнистых слоев атомов в чрезвычайно асимметричной призматической решетке. Такая анизотропная структура затрудняет сплав урана с другими металлами. Только молибден и ниобий могут создавать с ураном твердофазные сплавы. Правда, металлический уран может вступать во взаимодействие со многими сплавами, образуя интерметаллические соеденинения. Основные физические свойства урана: - температура плавления 1132.2 °C (+/- 0.8); - температура кипения 3818 °C; - плотность 18.95 (в альфа-фазе); - удельная теплоемкость 6.65 кал/моль/°C (25 C); - прочность на разрыв 450 МПа. Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150-175 °C, образуя U3O8. При 1000 °C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырехвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Уран имеет четыре степени окисления - III-VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись уранила UO3 и уранилхлорид урана UO2Cl2. Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 - примеры четырехвалентного урана. Вещества, содержащие четырехвалентный уран обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид распадаются в присутствии яркого света или органики. Состояние минерально-сырьевой базы мира и России. В начале XX века минерально-сырьевая база урана выглядела довольно скромно. Урановая руда добывалась как побочный продукт при разработке серебряных месторождений Рудных гор в Саксонии. При разработке Яхимовских месторождений наряду с рудами серебра, кобальта и других металлов в жилах встречалась тяжелая черная смолянистая руда, считавшиеся предвестником резкого падения содержания ценных металлов особенно серебра. Добыча урановых руд в Яхимове была начата в 1858 году попутно с добычей серебра. Урановая смолка использовалась для окраски стёкол и керамических изделий. В связи с развитием работ по производству радия из урановых руд с 1914 г. началось освоение месторождений в США ( штаты Колорадо и Юта). В 1915 г. было открыто месторождение богатых урановых руд Шинколобве на территории Африки. В этот период поиски урана проводились и в России. В Советском союзе было известно 5 мелких месторождений урана: Тюя-Муюнское (1901), Тобошарское (1926), Майлисуйское (1932), Уйгурское (1938), Адрасманское (1940). Сейчас данные по минерально сырьевой базе урана по состоянию на 2005 год изложены в объединенном докладе Ядерного агентства организации Экономического сотрудничества и развития и Международного агентства по атомной энергии ( МАГАТЭ) Таблица 1: извлекаемые запасы урана ( B+C1+C2) по ценовым категориям ( доллары США) на 01.01.2005 г. т. Страна < 40 долл./кг. < 80 долл./кг. < 130 долл./кг Австралия 1 044 000 1 074 000 1 143 000 Казахстан 408 092 606 658 816 099 Россия1 144 102 572 402 584 402 Канада 371 800 443 800 443 800 США - 102 000 342 000 ЮАР 143 149 248 752 340 596 Намибия 123 374 237 598 282 359 Бразилия 139 900 231 300 278 700 Нигер 172 816 225 459 225 459 Узбекистан 90 764 90 764 115 526 Украина 32 518 75 838 87 836 Другие 138 865 295 810 495 076 Всего 2 811 300 4 204 381 5 154 853 примечание: 1 - с учетом резервных месторождений Таблица 2: Распределение извлекаемых запасов урана по типам месторождений и ценовым категориям Тип < 40 < 80 < 130 месторождений по долл./кг. долл./кг. долл./кг классификации Тыс. % Тыс. % Тыс. % МАГАТЭ т т т Песчаниковый1 849 31.5 1075 26,7 1380 26,3 Брекчиевый комплекс 770 28,6 775 19,2 778 14,8 Метосоматический 585 21,7 662 16,5 668 12,7 Несогласия 121 4,5 486 12,1 743 14,1 Жильный2 40 1,5 445 11,1 895 17,0 Интрузивный3 106 3,9 188 4,7 262 5,0 Кварцевогалечные конгломераты 136 5,0 225 5,6 314 6,0 Другие4 90 3,3 167 4,1 213 4,1 Всего 2697 100 4023 100 5253 100 Примечание 1- вместе с калькретами; 2 - в том числе и в вулканических депрессиях; 3 - вместе со щелочными интрузивами; 4 - черные сланцы, костный детрит, месторождения без указания типа. Таблица 3 прогнозные ресурсы урана на 01.01.2005 года. тыс. т U3O8 Страна Р1 Р1+Р2 Монголия 0,0 1390 США 1273 1340 ЮАР 110,3 112,9 Канада 150.0 700 Казахстан 310,0 500 Бразилия 300,0 500 Россия 104,5 545 Украина 15,3 255 Вьетнам 7,9 230 Колумбия 11,0 217 Другие 236,0 746 Всего 2518,8 7535,9 С учетом резервных месторождений данные по ресурсам России будут значительно изменены. Ресурсы категории Р1 только в Эльконском районе оцениваются в 279 тыс. т а всего 356 тыс. т., ресурсы Р1+Р2 по разным оценкам колеблются от 600 до 700 тыс.т. В 2005году уран добывали 19 стран мира из них 5 - менее 100 т ( Румыния, Германия, Пакистан, Франция, Венгрия), три от 100 до 500 т (Бразилия, Чехия, Индия). Четыре страны добывают от 500 до 1000 т ( Китай -730, Украина - 800, США-835, ЮАР -848), а семь государств более 1000 т в год Узбекистан, Нигер, Намибия, Россия, Казахстан, Австралия, Канада. Несмотря на бытующие легенды о десятках тысяч долларов за килограммовые или даже грамовые количества урана, реальная его цена на рынке не столь высока — стоимость килограмма необогащённой закисиокиси урана U3O8росла от $21 в январе 2002, достигла пиковых $300 в середине 2007 г. , в дальнейшем понижалась и колеблется между нынешними $90-130 за кг с некоторой тенденцией к росту. При этом следует понимать, что открытого мирового рынка урана как такового не существует, в отличие, например, от золота. Разработка урановых руд рентабельна при цене на уран в районе 80 долл./кг. В настоящее время цена урана не позволяет налаживать эффективную разработку его месторождений, поэтому существуют прогнозы, что возможен рост цены на уран до 75-90 долл./кг к 2013—2014 гг. К 2030 г. будут полностью отработаны крупные и доступные месторождения с запасами до 80 дол./кг и в освоение начнут вовлекаться труднодоступные месторождения с себестоимостью производства более 130 дол./кг урана. Связано это с тем, что для запуска атомного реактора на необогащённом уране нужны десятки или даже сотни тонн топлива, а для изготовления ядерного оружия следует обогатить большое количество урана для получения пригодных для создания бомбы концентраций Таблица 4 Ведущие производители урана в 2009 (tU) по данным World Nuclear Association Ран Компания г Страна Фактическо е производств о (tU) Процент мирового производств а (tU) 1 Areva Франция 8 623 17 2 Cameco Канада 8 000 16 3 Rio Tinto Австралия,Великобритан 7 963 ия 16 4 Казатомпром Казахстан 7 467 15 5 ARMZ Россия 4 624 9 6 BHP Billiton Австралия,Великобритан 2 955 ия 6 7 Navoi Узбекистан 2 429 5 8 Uranium One Канада,Россия 1 368 3 9 Paladin Energy Австралия 1 210 2 10 General Atomics США 583 1 Промежуточны й итог 45 222 89 Всего 50 772 100 Энергетическое сырье После цепи замечательных открытий наступила пора решения сложнейших технических и технологических проблем. Нужно было в невиданных доселе масштабах добывать урановую руду, наладить металлургию нового важнейшего металла, из металла приготовить сплавы, стойкие к радиационным воздействиям и достаточно прочные, чтобы можно было готовить из них реакторные тепловыделяющие элементы (твэлы). А еще нужно было научиться разделять изотопы элемента №92, научиться работать с источниками радиоактивности, превосходящими во много раз естественную радиоактивность всего вещества нашей планеты, очищать облученный уран от осколков деления и вновь пускать его в дело... Ниже и пойдет речь о решении этих инженерных проблем. Но прежде – о земных запасах элемента №92, его минералах и рудах. Земной уран До пуска первых ядерных реакторов урановые руды добывали в основном для извлечения из них радия. Мизерные количества урановых соединений использовали в некоторых красителях и катализаторах. Когда из элемента, не имеющего почти никакого промышленного значения, уран превратился в стратегическое сырье №1, началась настоящая охота за его рудами. Чуть ли не все уголки земного шара были обследованы па уран, благо свойства его соединений – радиоактивность и способность светиться в ультрафиолетовых лучах – сами подсказали принципы конструирования новых чувствительных поисковых приборов, обладающих к тому же достаточно высокой избирательностью. Впрочем, еще до того, как открыли деление ядер урана нейтронами, было определено его содержание во многих горных породах, чтобы выяснить их абсолютный возраст. Оказалось, что средняя концентрация урана в земной коре довольно велика – 3·10–4%. Это значит, что урана на Земле больше, чем серебра, висмута, ртути... В некоторых распространенных породах и минералах содержание урана значительно выше этой средней величины. Так, в тонне гранита – около 25 г элемента №92. Полная энергия этих 25 г эквивалентна теплосодержанию 125 т каменного угля. Поэтому (а еще потому, что во всем мире наблюдается устойчивая тенденция к использованию все более бедных урановых руд) можно полагать, что со временем гранит станут считать одним из видов минерального топлива. Всего в относительно тонком, двадцатикилометровом, верхнем слое Земли заключено около 1014 т урана. Количество громадное, способное удовлетворить все энергетические потребности человечества на многие тысячелетия. Энергия этого урана оценивается астрономической цифрой – 2,36·1024 киловатт-часов. Это в миллионы раз больше, чем могут дать все разведанные и предполагаемые месторождения горючих ископаемых. Подсчитано, что быстрое освобождение энергии урана, заключенного в земной коре, раскалило бы нашу планету до температуры в несколько тысяч градусов. К счастью, урановое тепло в толще Земли выделяется постепенно, по мере того как ядра урана и его дочерних продуктов проходят по длинной цепи радиоактивных превращений. О том, что этот процесс очень медленный, свидетельствуют периоды полураспада природных изотопов урана. Для урана-235 он равен 7·108 лет, для урана-238 – 4,51·109. Как ни медленно выделяется урановое тепло, оно все-таки существенно подогревает Землю. Однако если бы в массе планеты концентрация урана была такой же, как в двадцатикилометровом верхнем слое, то температура Земли была бы намного выше существующей. Эти расчеты, подтвержденные прямыми измерениями (на больших глубинах вулканические породы беднее ураном), показывают, что по мере продвижения к центру Земли концентрация урана падает. Минералы и руды Несколько слов о минералах урана. Их известно много – около 200. Они разные по составу, происхождению и, конечно, далеко не все имеют промышленное значение. Минералы урана делят на первичные, образовавшиеся при формировании земной коры, и вторичные – те, что образовались на более поздних стадиях ее развития под действием тех или иных природных факторов. Есть минералы урана окислы, есть силикаты, титанаты, танталониобаты и т.д. Из первичных минералов-окислов наиболее известен настуран, он же урановая смолка или смоляная обманка. Обычно этому минералу приписывают формулу U3O8, но в действительности состав настурана переменен, и более точной представляется формула UO2,25. Обманкой этот минерал называют за переменчивость цвета: темно-серый, черный, зеленовато-черный... А смолкой – за то, что его зерна действительно похожи на капли застывшей смолы. Из вторичных минералов распространен желто-зеленый отэнтит – гидратированный уранилфосфат кальция Ca(UO2)2(PO4)2 · 8H2O. Не всякую породу, содержащую уран, считают рудой. Основной принцип классификации «руда – не руда» – процентное содержание урана в породе. Сегодня проходной балл 0,1%, но иногда и в наши дни бывает выгодно извлекать уран из более бедных руд. Критерий здесь – экономическая целесообразность. В Южной Африке, например, извлекают уран из руд, содержащих всего 0,01% U. Но наряду с ураном эти руды содержат золото. Часто урану в минералах сопутствуют другие полезные элементы – титан, тантал, редкие земли. Поэтому естественно стремление к комплексной переработке урансодержащих руд. А поскольку сам уран – элемент рассеянный и основная масса его сосредоточена в породах, содержащих 0,0025% U и меньше, будущее элемента №92 связывают с бедными рудами. Способов выделения урана из руд разработано великое множество. Причиной тому, с одной стороны, стратегическая важность элемента №92, с другой – разнообразие его природных форм. Но каков бы ни был метод, каково бы ни было сырье, любое урановое производство включает три стадии: предварительное концентрирование урановой руды, выщелачивание урана и получение достаточно чистых соединений урана осаждением, экстракцией или ионным обменом, Далее, в зависимости от назначения получаемого урана, следует обогащение продукта изотопом 235U или сразу же восстановление элементарного урана. Обо всех этих стадиях мы расскажем подробнее, но прежде – об основах химии элемента №92, ибо любая технология основывается на своеобразии свойств элемента №92 и его соединений. Третий из актиноидов В таблице Менделеева, изданной в 30-х годах, уран занимал место в VI группе, и не без оснований: известно много соединений шестивалентного урана. Сейчас место урана – среди актиноидов, во втором «интерпериодическом узле» менделеевской таблицы, непосредственно под неодимом. Уран не очень типичный актиноид, известно пять его валентных состояний – от 2+ до 6+. Некоторые соединения урана имеют характерную окраску. Так, растворы трехвалентного урана – красного цвета, четырехвалентного – зеленого, а шестивалентный уран – он существует в форме уранил-иона (UO2)2+ – окрашивает растворы в желтый цвет... Тот факт, что шестивалентный уран образует соединения со многими органическими комплексо-образователями, оказался очень важным для технологии извлечения элемента №92. Характерно, что внешняя электронная оболочка ионов урана всегда заполнена целиком; валентные электроны находятся в предыдущем электронном слое, в подоболочке 5f. Если сравнивать уран с другими элементами, то очевидно, что больше всего на него похож плутоний. Основное различие между ними – больший ионный радиус урана. Кроме того, плутоний наиболее устойчив в четырехвалентном состоянии, а уран – в шестивалентном. Это помогает разделить их, что очень важно: ядерное горючее плутоний-239 получают исключительно из урана, балластного с точки зрения энергетики урана-238. Заключение. Главный элемент атомной энергетики и сырье для получения другою главного энергетического элемента – плутония, он причастен ко многим большим открытиям XX в. Уран оказал серьезное влияние и на многие аспекты нашего бытия, далекие от науки, в частности на международную политику. Это элемент заслуживает особого внимания, и потому мы посвятили ему три рассказа: первый – историко-философского плана, второй – технико-технологического и третий – рассказ участника одного из самых важных открытий, связанных с ураном. Список используемой литературы: Гайсинский М., Адлов Ж. Уран // Радиохимический словарь элементов. — Атомиздат, 1968. Справочник по геологии нефти и газа / Под ред. Еременко Н. А. — М: Недра, 1984. Изотопы: свойства, получение, применение. В. 2 т / Под ред. В. Ю. Баранова. — М: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — Т. 2. УРАН // Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В. URL: https://бмэ.орг/index.php/%D0%A3%D0%A0%D0%90%D0%9D (дата обращения: 2.08.20). Мотыляев А. Уран: факты и фактики // «Химия и жизнь» . 8. №2014.
