Urânio

Urânio
92 U
Nd ↑ U ↓ (Uqq) Tabela periódica protactinium ← urânio → neptunium
Aparência
cinza metálico prateado; corrói a uma revestimento de óxido preto fragmentação no ar
Propriedades gerais
Nome, símbolo, número	urânio, L, 92
Pronúncia	/ j ʊ r eɪ n Eu ə m / EW RAY -nee-əm
Categoria Metallic	actinide
Grupo, período, bloco	n / D, 7, f
Peso atômico padrão	238,02891 (3)
Configuração eletrônica	[ Rn ] 5f 3 6d 1 7s 2 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
História
Descoberta	Martin Heinrich Klaproth (1789)
Primeiro isolamento	Eugène-Melchior Peligot (1841)
Propriedades físicas
Fase	sólido
Densidade (perto RT)	19,1 g · cm -3
Líquido densidade no pf	17,3 g · cm -3
Ponto de fusão	1405,3 K , 1132,2 ° C, 2070 ° F
Ponto de ebulição	4404 K, 4131 ° C, 7468 ° F
Calor de fusão	9.14 kJ mol -1 ·
Calor de vaporização	417,1 kJ mol -1 ·
Capacidade calorífica molar	27,665 J · · mol -1 K -1
Pressão de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k em T (K) 2325 2564 2859 3234 3727 4402
Propriedades atômicas
Estados de oxidação	6, 5, 4, 3, 2, 1 (Fracamente óxido de base)
Eletronegatividade	1,38 (escala de Pauling)
Energias de ionização	1º: 597,6 kJ · mol -1
	Segunda: 1420 kJ mol -1 ·
Raio atômico	156 pm
O raio de covalência	196 ± 19:00
Van der Waals raio	186 pm
Miscelânea
A estrutura de cristal	orthorhombic
Ordenamento magnético	paramagnético
Resistividade elétrica	(0 ° C) 0,280 μΩ · m
Condutividade térmica	27,5 W · m -1 · K -1
Expansão térmica	(25 ° C) de 13,9 pM · · K -1 m -1
Velocidade do som (haste fina)	(20 ° C) 3155 m · s -1
O módulo de Young	208 GPa
Módulo de cisalhamento	111 GPa
Massa de módulo	100 GPa
Rácio de Poisson	0.23
Número de registo CAS	7440-61-1
A maioria dos isótopos estáveis
Ver artigo principal: Isótopos de urânio
iso N / D meia-vida DM DE ( MeV) DP 232 L traço 68,9 y SF - - α 5,414 228 Th 233 L traço 1,592 x 10 5 y SF 197,93 - α 4,909 229 Th 234 U 0,005% 2,455 × 10 5 y SF 197,78 - α 4,859 230 Th 235 U 0,720% 7,04 x 10 8 y SF 202,48 - α 4,679 231 Th 236 L traço 2.342 × 10 7 y SF 201,82 - α 4,572 232 Th 238 L 99,274% 4,468 × 10 9 y α 4.270 234 Th SF 205,87 - β - β - - 238 Pu

O urânio é um branco prateado metálico elemento químico na actinídeos série da tabela periódica , com símbolo U e número atômico 92. Um átomo de urânio tem 92 prótons e 92 elétrons , dos quais 6 elétrons de valência. O urânio é fracamente radioactivos, porque todos os seus isótopos são instáveis. Os isótopos mais comuns de urânio são urânio-238 (que tem 146 nêutrons) e urânio-235 (que tem 143 nêutrons). O urânio tem a segunda maior peso atômico do elementos primordialmente ocorrendo, mais leve do que única plutônio . A sua densidade é de cerca de 70% mais elevado do que o de chumbo , mas não é tão denso como ouro ou tungsténio . Ocorre naturalmente em baixas concentrações de alguns partes por milhão no solo, rocha e água, e é comercialmente Extraiu-rolamento de urânio a partir de minerais tais como uraninite.

Na natureza, o urânio é encontrado como urânio-238 (99,2739-99,2752%), urânio-235 (0,7198-0,7202%), e uma muito pequena quantidade de urânio-234 (0,0050-,0059%). Urânio decai lentamente emitindo um partícula alfa. A meia-vida do urânio-238 é de cerca de 4,47 bilhão de anos e que de urânio-235 é 704 milhões de anos, tornando-os úteis para datar o idade da Terra.

Muitos usos contemporâneos de urânio explorar as suas únicas nucleares propriedades. O urânio-235 tem a distinção de ser o único que ocorrem naturalmente físsil isótopo . O urânio-238 é físsil por nêutrons rápidos, e é fértil, o que significa que pode ser transmutada para cindíveis plutônio-239 em um reactor nuclear. Outro isótopo físsil, urânio-233, pode ser produzido a partir naturais tório e também é importante na tecnologia nuclear. Enquanto o urânio-238 tem uma pequena probabilidade de fissão espontânea ou mesmo fissão induzida com nêutrons rápidos, urânio-235 e em menor grau o urânio-233 tem uma secção transversal muito maior fissão para nêutrons lentos. Na concentração suficiente, estes isótopos manter uma sustentada reação nuclear em cadeia. Isso gera o calor em reatores nucleares, e produz o material físsil para armas nucleares . O urânio empobrecido ⁽²³⁸ L) é usado em penetradores de energia cinética e blindagem.

O urânio é utilizado como um corante em vidro de urânio, produção de laranja-vermelho para tons de amarelo limão. Também foi usado para a matização e sombreamento no início de fotografia . A 1789 descoberta de urânio no mineral pitchblende é creditada a Martin Heinrich Klaproth, que nomeou o novo elemento depois que o planeta Urano . Eugène-Melchior Peligot foi a primeira pessoa a isolar o metal e suas propriedades radioativas foram descobertas em 1896 por Antoine Becquerel. Uma pesquisa feita por Enrico Fermi e outros começam em 1934 levou à sua utilização como combustível na indústria de energia nuclear e em Little Boy, a primeira arma nuclear usado na guerra. Um que se seguiu corrida armamentista durante a Guerra Fria entre os Estados Unidos ea União Soviética produziu dezenas de milhares de armas nucleares que usaram metal de urânio e urânio derivado plutônio-239. A segurança dessas armas e seu material físsil na sequência da dissolução da União Soviética, em 1991, é uma preocupação constante para a saúde pública e segurança. Ver A proliferação nuclear.

Características

Um evento de fissão nuclear induzida por nêutrons envolvendo o urânio-235

Quando refinado, o urânio é um branco prateado, fracamente radioativa de metal , que é mais difícil do que a maioria dos elementos. É maleável, dúctil, ligeiramente paramagnética, fortemente electropositive e é um pobre condutor eléctrico. Urânio metálico tem muito alta densidade , sendo cerca de 70% mais denso do que chumbo , mas um pouco menos denso do que o ouro .

Urânio metálico reage com quase todos os elementos não-metálicos e seus compostos , com reactividade crescente com a temperatura. clorídrico e ácido nítrico dissolver o urânio, mas não oxidante que não ataque ácido clorídrico ácidos elemento muito lentamente. Quando finamente dividido, que pode reagir com água fria; em ar, urânio metálico torna-se revestido com uma camada escura de óxido de urânio. Urânio em minérios é extraído quimicamente e convertida em dióxido de urânio ou outras formas químicas utilizáveis na indústria.

O urânio-235 foi o primeiro isótopo que se verificou ser físsil. Outros isótopos naturais são físsil, mas não cindíveis. Após bombardeio com nêutrons lentos, seu urânio-235 isótopo na maior parte do tempo divide em dois pequenos núcleos , liberando nuclear energia e mais nêutrons vinculativo. Se muitos desses nêutrons são absorvidos por outros núcleos de urânio-235, um reacção em cadeia nuclear ocorre que resulta em uma explosão de calor ou (em circunstâncias especiais) uma explosão. Num reactor nuclear, um tal reacção em cadeia é mais lenta e controlada por um veneno de nêutron, absorvendo alguns dos nêutrons livres. Materiais absorventes, tais nêutrons são muitas vezes parte do reactor hastes de controle (ver física reactor nuclear para uma descrição deste processo de controlo do reactor).

Tão pouco como 15 libras (7 kg) de urânio-235 pode ser usado para fazer uma bomba atômica. A primeira bomba nuclear usado na guerra, Little Boy, contou com a fissão do urânio, enquanto o primeiro explosivo nuclear ( O gadget ) e a bomba que destruiu Nagasaki ( Fat Man) eram bombas de plutônio.

Urânio metálico tem três alotrópicas formas:

• α ( orthorhombic) estável até 660 ° C
• β ( tetragonal) estável a partir de 660 ° C a 760 ° C
• γ ( cúbica de corpo centrado) a partir de 760 ° C a ponto de fusão é o estado mais maleável e dúctil.

Aplicações

Militar

O urânio empobrecido é usado por vários militares como de alta densidade de penetração.

A principal aplicação do urânio no sector militar está em alta densidade de penetração. Esta munição consiste urânio empobrecido (DU) ligado com 1-2% de outros elementos. Na velocidade de alto impacto, a densidade, dureza e piroforicidade do projétil permitir a destruição de alvos fortemente blindados. Blindagem de tanques e outros removível armadura veículo também são endurecidos com placas de urânio empobrecido. A utilização de DU tornou-se politicamente e ambientalmente controversa após o uso de munições com urânio empobrecido por os EUA, Reino Unido e outros países durante as guerras no Golfo Pérsico e os Balcãs levantou questões de compostos de urânio deixadas no solo (ver Síndrome da Guerra do Golfo).

Urânio empobrecido também é usado como um material de protecção em alguns recipientes utilizados para armazenar e transportar materiais radioactivos. Embora o próprio metal radioactivo é, a sua alta densidade faz com que seja mais eficaz do que o chumbo em travar a radiação a partir de fontes fortes, tais como a rádio . Outros usos de DU incluem contrapesos para superfícies de controle de aeronaves, como lastro para mísseis re-entrada de veículos e como um material de protecção. Devido à sua elevada densidade, este material é encontrado em sistemas de orientação por inércia e em giroscópico bússolas. DU é preferido sobre metais semelhante densas devido à sua capacidade de ser facilmente usinado e expressos, bem como o seu custo relativamente baixo. O principal risco de exposição ao urânio empobrecido é envenenamento químico por óxido de urânio em vez de radioatividade (urânio sendo apenas um fraco alfa emissor).

Durante os últimos estágios da II Guerra Mundial , toda a Guerra Fria , e em menor medida depois, urânio-235 tem sido usado como o material explosivo físsil para produzir armas nucleares. Inicialmente, dois tipos principais de bombas de fissão foram construídos: um dispositivo relativamente simples que utiliza urânio-235 e um mecanismo mais complicada, que utiliza plutônio-239 derivado do urânio-238. Mais tarde, um tipo muito mais complicado e muito mais poderoso de bomba de fissão / fusão ( thermonuclear arma) foi construído, que utiliza um dispositivo baseado em plutónio para provocar uma mistura de trítio e deutério se submeter fusão nuclear. Tais bombas são revestido em um caso de urânio não cindível (unenriched), e eles derivam mais da metade da energia da fissão deste material por neutrões rápidos a partir do processo de fusão nuclear.

Civil

O uso civil mais visível de urânio é como a fonte de energia térmica utilizada em Central nuclear.

O principal uso do urânio no setor civil é para alimentar Central nuclear. Um quilograma de urânio-235 pode, teoricamente, produzir cerca de 80 terajoules de energia (8 × 10 ¹³ joules), assumindo a fissão completa; tanto energia quanto 3000 toneladas de carvão .

Comerciais de energia nuclear plantas usam combustível que é normalmente enriquecido a cerca de 3% de urânio-235. O CANDU e Projetos Magnox são os únicos reatores comerciais capazes de usar combustível de urânio não enriquecido. Combustível utilizado para Reatores marinha Estados Unidos é tipicamente altamente enriquecido em urânio-235 (os valores exatos são classificadas). Em um reactor regenerador, urânio-238 também podem ser convertidos em plutónio através da reacção seguinte: ²³⁸ L (N, gama) → ²³⁹ L - (beta) → ²³⁹ Np - (beta) → ²³⁹ Pu.

Uranium brilhante de vidro sob a luz UV

Antes da descoberta da radioactividade, urânio foi usado principalmente em pequenas quantidades para o vidro e cerâmica esmaltes amarelos, tais como o vidro de urânio e em Fiestaware.

A descoberta e isolamento de rádio em minério de urânio (uraninita) por Marie Curie provocou o desenvolvimento da mineração de urânio para extrair o rádio, que foi usado para fazer tintas glow-in-the-escuro para o relógio e as aeronaves mostradores. Isso deixou uma prodigiosa quantidade de urânio como um produto residual, uma vez que leva três toneladas de urânio para extrair um grama de rádio. Este produto residual foi desviado para a indústria de vidros, fazendo esmaltes de urânio muito barato e abundante. Além dos esmaltes de cerâmica, esmaltes telha urânio representaram a maior parte do uso, incluindo azulejos de casa de banho e cozinha comuns que podem ser produzidos em verde, amarelo, lilás, preto, azul, vermelho e outras cores.

Vidro de urânio usado como selos de chumbo-in em um vácuo capacitor

O urânio foi usado também em fotográficas produtos químicos (especialmente nitrato de urânio como um toner), em filamentos de lâmpada, para melhorar a aparência de dentaduras, e nas indústrias de couro e madeira para manchas e corantes. Sais de urânio são mordentes de seda ou lã. Acetato de uranila e uranyl formato são usados como elétrons-densos "manchas" na A microscopia electrónica de transmissão, para aumentar o contraste de espécimes biológicos em cortes ultrafinos e em coloração negativa de vírus , isolado organelas celulares e macromoléculas.

A descoberta da radioactividade do urânio inaugurou usos científicos e práticos adicionais do elemento. A longa semi-vida do isótopo de urânio-238 (4,51 x 10 ⁹ anos) faz com que seja adequado para utilização na estimativa da idade dos primeiros rochas ígneas e para outros tipos de datação radiométrica, incluindo urânio-tório namoro, urânio-chumbo e namoro urânio urânio namoro. Urânio metálico é usado para Metas de raios-X na tomada de raios-X de alta energia.

História

Prehistoric fissão que ocorre naturalmente

Em 1972, o físico francês Francis Perrin descobriu quinze antiga e não está mais ativo reatores de fissão nuclear naturais em três depósitos de minério separados no Oklo mina no Gabão , África Ocidental , conhecidos coletivamente como o Oklo Reatores fósseis. O depósito de minério é de 1,7 bilhões de anos; em seguida, o urânio-235 constituíam cerca de 3% do total do urânio na Terra. Isto é suficientemente elevado para permitir uma reacção em cadeia sustentada fissão nuclear para ocorrer, desde que existam outros condições de apoio. A capacidade do sedimento circundante para conter o produtos de resíduos nucleares tem sido citado pelo governo federal dos Estados Unidos como elementos de prova para a viabilidade para armazenar combustível nuclear no Montanha Yucca.

Uso de pré-descoberta

O uso de urânio num meio natural forma de óxido remonta a, pelo menos, o ano 79 CE, quando foi usado para adicionar uma cor amarela para esmaltes cerâmicos. Vidro amarelo com óxido de urânio de 1% foi encontrado em uma Roman villa em Cabo No posillipo Baía de Nápoles, Itália por RT Gunther da Universidade de Oxford , em 1912. A partir do final Idade Média , pitchblende foi extraído da Habsburgo minas de prata em Joachimsthal, Bohemia (agora Jáchymov na República Checa ) e foi usada como um agente de coloração no local de fabricação de vidro indústria. No início do século 19, apenas conhecidas fontes do mundo de minério de urânio eram essas minas.

Descoberta

Antoine Henri Becquerel descobriu o fenômeno da radioactividade por exposição de uma chapa fotográfica de urânio em 1896.

O descoberta do elemento é creditada ao químico alemão Martin Heinrich Klaproth. Enquanto ele estava trabalhando em seu laboratório experimental em Berlim em 1789, Klaproth foi capaz de precipitar um composto amarelo (provável diuranato de sódio) por dissolução pitchblende em ácido nítrico e neutralização da solução com hidróxido de sódio . Klaproth assumiu a substância amarela foi o óxido de um elemento ainda não descoberto e aquecido-lo com carvão para obter um pó preto, que ele achava que era o metal recém-descoberto em si (na verdade, que o pó era um óxido de urânio). Ele nomeou o novo elemento descoberto depois que o planeta Urano , (nomeado após o primordial Deus grego do céu), que tinha sido descoberto oito anos antes por William Herschel.

Em 1841, Eugène-Melchior Peligot, Professor de Química Analítica no Conservatoire National des Arts et Métiers (Escola Central de Artes e Manufaturas) em Paris , isolado a primeira amostra de urânio metálico por aquecimento tetracloreto de urânio com potássio . Urânio não foi visto como sendo particularmente perigosa durante a maior parte do século 19, levando ao desenvolvimento de várias utilizações para o elemento. Uma tal utilização do óxido foi a coloração de cerâmica e vidro acima mencionado, mas já não secreta.

Antoine Henri Becquerel descobriu radioatividade usando urânio em 1896. Becquerel fez a descoberta, em Paris, deixando uma amostra de um sal de urânio, K ₂ UO ₂ (SO _{4) 2} (sulfato de potássio uranilo), em cima de um não impressionados chapa fotográfica em uma gaveta e observando que a placa havia se tornado "embaçado". Ele determinou que uma forma de luz invisível ou raios emitidos pelo urânio tinha exposto a placa.

Pesquisa fissão

Cubos, pastilhas e cuboids de urânio produzidos durante o projeto Manhattan

Uma equipe liderada por Enrico Fermi, em 1934, observou que bombardeando o urânio com nêutrons produz a emissão de raios beta ( elétrons ou positrons a partir dos elementos produzidos; ver partícula beta). Os produtos de fissão foram inicialmente confundidos com novos elementos de números atômicos 93 e 94, que o decano da Faculdade de Roma, Orso Mario Corbino, batizado ausonium e hesperium, respectivamente. As experiências que conduziram à descoberta da capacidade de urânio para fissão (quebrar) em elementos mais leves e liberação energia de ligação foram realizados por Otto Hahn e Fritz Strassmann no laboratório de Hahn, em Berlim. Lise Meitner e seu sobrinho, físico Otto Robert Frisch, publicada a explicação física em fevereiro de 1939 e nomeado o processo de " fissão nuclear ". Logo depois, Fermi hipótese de que a fissão de urânio pode liberar nêutrons suficientes para sustentar uma reação de fissão. A confirmação desta hipótese veio em 1939, eo trabalho mais tarde descobriu que, em média, cerca de 2,5 nêutrons são liberados por cada fissão do raro isótopo urânio urânio-235. Mais trabalho constatou que a muito mais comum isótopo urânio-238 pode ser transmutados em plutónio, que, como o urânio-235, também é físsil por nêutrons térmicos. Estas descobertas levaram numerosos países para começar a trabalhar no desenvolvimento de armas nucleares e energia nuclear .

Em 2 de dezembro de 1942, como parte do Manhattan Project, uma outra equipe dirigida por Enrico Fermi foi capaz de iniciar o primeiro artificial auto-sustentada reacção em cadeia nuclear, Chicago Pile-1. Trabalho em um laboratório abaixo as arquibancadas do Stagg Field at a Universidade de Chicago, a equipe criou as condições necessárias para tal reação empilhando juntos 400 toneladas curtas (360 toneladas métricas) de grafite, 58 toneladas curtas (53 toneladas métricas) de óxido de urânio, e seis toneladas curtas (5,5 toneladas) de urânio metálico.

Bombs

O nuvem de cogumelo sobre Hiroshima após o lançamento da bomba atômica à base de urânio apelidado de ' Little Boy '

Dois principais tipos de bombas atômicas foram desenvolvidos pelos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial : um dispositivo baseado em urânio (codinome " Little Boy "), cujo material era altamente físsil urânio enriquecido, e um dispositivo baseado em plutônio (veja teste Trinity ea " Fat Man "), cuja plutónio foi derivado de urânio-238. O dispositivo Little Boy à base de urânio tornou-se a primeira arma nuclear usado na guerra, quando foi detonada sobre o japonês cidade de Hiroshima em 6 de agosto de 1945. Explodir com um rendimento equivalente a 12.500 toneladas de TNT, a explosão e onda térmica da bomba destruiu cerca de 50.000 edifícios e matou cerca de 75.000 pessoas (ver Bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki). Inicialmente, acreditava-se que o urânio foi relativamente raro, e que proliferação nuclear poderia ser evitada simplesmente comprando-se todas as existências de urânio conhecidos, mas dentro de uma década de grandes depósitos que foram descobertos em muitos lugares ao redor do mundo.

Reatores

Quatro lâmpadas acesas com eletricidade gerada a partir do primeiro reactor artificial produtoras de electricidade de origem nuclear, EBR-I (1951)

O X-10 reactor a grafite Oak Ridge National Laboratory (ORNL) em Oak Ridge, Tennessee, anteriormente conhecida como a pilha Clinton e X-10 Pile, foi o segundo reactor nuclear artificial do mundo (depois de Chicago Pile de Enrico Fermi) e foi o primeiro reator projetado e construído para operação contínua . Argonne National Laboratory Experimental Breeder Reactor I, localizado na Estação Testing Reactor da Comissão Nacional de Energia Atômica perto Arco, Idaho tornou-se o primeiro reator nuclear para gerar eletricidade em 20 de dezembro de 1951. Inicialmente, quatro lâmpadas de 150 watts foram acesas pelo reator, mas as melhorias eventualmente lhe permitiu abastecer toda a instalação (mais tarde, a cidade de Arco tornou-se o primeiro no mundo a ter toda a sua eletricidade vem de energia nuclear gerada pela BORAX-III, um outro reator projetado e operado pela Argonne National Laboratory). Primeira usina nuclear em escala comercial do mundo, Obninsk na União Soviética , começou geração com seu reator AM-1 em 27 de Junho de 1954. Outras plantas iniciais nucleares foram Calder Hall, em Inglaterra , que começou em 17 de outubro geração de 1956 e do Shippingport Atomic Power Station em Pennsylvania, que começou em 26 de Maio de 1958. A energia nuclear foi usada pela primeira vez para a propulsão por um submarino , o USS Nautilus, em 1954.

Contaminação eo legado da Guerra Fria

EUA e URSS / Rússia arsenais de armas nucleares, 1945-2005

Acima do solo testes nucleares por parte da União Soviética e os Estados Unidos nos anos 1950 e início dos anos 1960 e por França em 1970 e 1980 espalhou uma quantidade significativa de precipitação da filha isótopos de urânio em todo o mundo. Precipitação adicional e poluição ocorreu a partir de vários acidentes nucleares.

Mineiros de urânio têm uma maior incidência de câncer . Um excesso de risco de câncer de pulmão entre Mineiros de urânio Navajo, por exemplo, tem sido documentado e ligada à sua ocupação. O Exposição a Radiação Compensation Act, uma lei de 1990, no EUA, necessários US $ 100.000 em pagamentos "compaixão" para mineiros de urânio diagnosticadas com câncer ou outras doenças respiratórias.

Durante a Guerra Fria entre a União Soviética e os Estados Unidos, enormes estoques de urânio foram acumulou e dezenas de milhares de armas nucleares foram criados usando o urânio enriquecido e plutônio feita a partir de urânio. Uma vez que o break-up da União Soviética, em 1991, cerca de 600 toneladas curtas (540 toneladas métricas) de armas de grau altamente enriquecido urânio (suficiente para fazer 40 mil ogivas nucleares) foram armazenados em instalações muitas vezes inadequadamente guardados na Federação da Rússia e vários outros ex- Estados soviéticos. A polícia na Ásia , Europa , e América do Sul , em pelo menos 16 ocasiões 1993-2005 tem carregamentos interceptados de contrabando de urânio bomba-grade ou plutônio, a maioria das quais foi a partir de fontes ex-soviéticos. De 1993 a 2005, a Protecção de Material, de Controle e Programa de Contabilidade, operado pelo governo federal dos Estados Unidos, gastou cerca de US $ 550 milhões para ajudar a proteger as reservas de urânio e de plutónio na Rússia. Este dinheiro foi utilizado para melhorias e aprimoramentos de segurança em instalações de investigação e de armazenamento. Scientific American relatou em fevereiro de 2006 que, em algumas das instalações de segurança consistia em cercas da ligação chain que estavam em estados graves de condições precárias. De acordo com uma entrevista do artigo, uma instalação tinha sido armazenar amostras de enriquecido (grau armas) de urânio em um armário de vassouras antes do projeto de melhoria; outra pista vinha mantendo de seu estoque de ogivas nucleares que utilizam cartões de índice mantido em uma caixa de sapatos.

Ocorrência

Biótico e abiótico

Uraninite, também conhecido como pitchblende, o minério é extraído mais comum para extrair o urânio.

O urânio é um elemento que pode ser encontrada em baixos níveis em todos os rocha, solo e água que ocorrem naturalmente. O urânio é o elemento 51, a fim de abundância na crosta da Terra. O urânio é também o elemento mais alto de número de ser encontrado naturalmente em quantidades significativas na Terra e. Junto com todos os elementos que tem pesos atômicos mais altos do que a de ferro , é apenas natural formada em supernovas . O decaimento do urânio, tório , e potássio-40 na Terra manto é pensado para ser a principal fonte de calor que mantém o exterior do núcleo líquido e unidades convecção do manto, que por sua vez impulsiona placas tectônicas .

Concentração média de urânio na Terra 's crosta é (dependendo da referência) de 2 a 4 partes por milhão, ou cerca de 40 vezes mais abundante como prata . A crosta terrestre desde a superfície até 25 km (15 mi) para baixo é calculada para conter 10 ¹⁷ kg (2 × 10 ¹⁷ lb) de urânio enquanto os oceanos podem conter 10 ¹³ kg (2 × 10 ¹³ libras). A concentração de urânio no solo varia 0,7-11 partes por milhão (até 15 partes por milhão em terra do solo devido ao uso de fosfato de fertilizantes ), e a sua concentração na água do mar é de 3 partes por bilião.

O urânio é mais abundante do que antimónio , estanho , cádmio , mercúrio , ou prata, e é tão abundante como o arsênico ou molibdênio . O urânio é encontrado em centenas de minerais, incluindo uraninite (o urânio mais comum minério), carnotite, autunite, uranophane, torbernite, e coffinite. As concentrações significativas de urânio ocorrer em algumas substâncias, tais como fosfato de depósitos de rocha e minerais, tais como lenhite, e areias monazíticas em minérios ricos em urânio (ele é recuperado comercialmente a partir de fontes com apenas 0,1% de urânio).

Espécies de Citrobacter podem ter concentrações de urânio em seus corpos 300 vezes mais elevadas do que no meio envolvente.

Algumas bactérias tais como S. putrefaciens e G. metallireducens foram mostrados para reduzir L (VI) em U (IV).

Alguns organismos, tais como o líquen Trapelia ou involuta microrganismos, tais como a bactéria Citrobacter, pode absorver concentrações de urânio que são até 300 vezes mais elevados do que em seu ambiente. Espécies de Citrobacter absorver uranyl íons quando administrado fosfato de glicerol (ou outros fosfatos orgânicos semelhantes). Depois de um dia, uma grama de bactérias podem incrustar-se com nove gramas de cristais de fosfato de uranilo; isto cria a possibilidade de que estes organismos podem ser utilizados em biorremediação para descontaminar águas poluídas por urânio.

Na natureza, o urânio (VI) forma complexos de carbonato altamente solúvel a pH alcalino. Isto leva a um aumento da mobilidade e disponibilidade de urânio para as águas subterrâneas e do solo a partir de resíduos nucleares que leva a riscos para a saúde. No entanto, é difícil para precipitar urânio como de fosfato na presença de excesso de carbonato a pH alcalino. Um Sphingomonas sp. estirpe BSAR-1 foi encontrado para expressar uma fosfatase alcalina de alta atividade (Phok) que foi aplicada para bioprecipitação de urânio como espécies de fosfato de uranilo de soluções alcalinas. A capacidade precipitação foi reforçada por superexpressão da proteína Phok em E. coli.

Plantas absorvem parte do urânio do solo. Concentrações de peso seco de urânio em plantas variam de 5 a 60 partes por bilião, e cinzas de madeira queimada pode ter concentrações até 4 partes por milhão. As concentrações de peso seco de urânio em alimentos plantas são tipicamente mais baixas com 1-2 microgramas por dia ingeridos através dos alimentos as pessoas comem.

Produção e mineração

A produção mundial de urânio (minas) ea procura

Yellowcake é uma mistura concentrada de óxidos de urânio que é ainda mais refinado para extrair urânio puro.

A produção mundial de urânio em 2010 ascendeu a 53.663 toneladas, das quais 17.803 t (33,2%) foi minadas em Cazaquistão . Outros países importantes de mineração de urânio são Canadá (9.783 t), Austrália (5.900 t), Namíbia (4.496 t), Níger (4.198 t) e Rússia (3.562 t).

Minério de urânio é extraído de várias maneiras: por a céu aberto, subterrâneo, in situ de lixiviação, e mineração furo (ver mineração de urânio). Minério de urânio de baixo grau extraído normalmente contém ,01-0,25 óxidos% de urânio. Amplas medidas devem ser empregues para extrair o metal do seu minério. Minérios de alta qualidade encontrados em Depósitos Bacia Athabasca em Saskatchewan, Canadá pode conter até 23% de óxidos de urânio, em média. Minério de urânio é esmagado e traduzida para um pó fino e lixiviado, em seguida, quer com um ácido ou alcalino. O lixiviado é submetido a uma das várias sequências de precipitação, extracção por solventes e de permuta iónica. A mistura resultante, denominado yellowcake, contém pelo menos 75% de óxidos de urânio U ₃ O _8. Yellowcake é então calcinado para remover as impurezas a partir do processo de moagem antes da refinação e de conversão.

Urânio de nível comercial pode ser produzido através da a redução do urânio halogenetos com metais alcalinos ou metais alcalino-terrosos . Metal de urânio também pode ser preparado através de eletrólise de KUF ₅ ou UF _4, dissolvido em fundido de cloreto de cálcio (Ca Cl ₂₎ e cloreto de sódio ( Na solução de Cl). Muito urânio puro é produzido através da decomposição térmica de halogenetos de urânio em um filamento quente.

Fornecimento

Preço spot de urânio mensal em US $ por libra. O 2007 pico de preços é claramente visível.

Em 2005, dezessete países produziram óxidos de urânio concentrado, com o Canadá (27,9% da produção mundial) e Austrália (22,8%), sendo os maiores produtores e Cazaquistão (10,5%), Rússia (8,0%), Namíbia (7,5%), Níger ( 7,4%), Uzbequistão (5,5%), do Estados Unidos (2,5%), Argentina (2,1%), Ucrânia (1,9%) e a China (1,7%) também a produção de quantidades significativas. Cazaquistão continua a aumentar a produção e pode ter se tornado o maior produtor de urânio do mundo até 2009, com uma produção esperada de 12.826 toneladas, em comparação com o Canadá com 11.100 t e Austrália, com 9.430 t. O urânio disponível final se acredita ser suficiente para, pelo menos nos próximos 85 anos, embora alguns estudos indicam falta de investimento no final do século XX pode produzir problemas de abastecimento no século 21. Depósitos de urânio parece ser log-normal distribuído. Há um aumento de 300 vezes na quantidade de urânio recuperável para cada dez vezes diminuir no grau de minério. Em outras palavras, há pouco minério de alta qualidade e proporcionalmente muito mais baixo grau de minério disponíveis.

Compostos

Estados de oxidação e de óxidos

Óxidos

Octaoxide Triuranium (esquerda) edióxido de urânio (à direita) são os dois óxidos de urânio mais comuns.

Yellowcake urânio calcinada tal como produzido em muitas grandes moinhos contém uma distribuição de espécies de oxidação do urânio em várias formas que vão desde mais oxidado para menos oxidado. As partículas com tempos de residência curtos em um calcinador será geralmente menos oxidada do que aqueles com tempos de retenção longos ou partículas recuperadas no purificador pilha. Conteúdo urânio é geralmente referenciados U ₃ O ₈ , que data dos dias do projeto Manhattan quando U ₃ O ₈ foi usado como um padrão de química relatórios analíticos.

Relações de fase no sistema urânio-oxigênio são complexos. Os estados de oxidação mais importantes de urânio são o urânio (IV) e urânio (VI), e seus dois correspondentes óxidos são, respectivamente, dióxido de urânio ( UO ₂ ) e trióxido de urânio ( UO ₃ ). Outro óxidos de urânio, tais como monóxido de urânio (UO), diuranium pentóxido de ( L ₂ S ₅ ), e peróxido de urânio ( UO ₄ · 2H ₂ O ), também existem.

As formas mais comuns de óxido de urânio são octaoxide triuranium ( U ₃ O ₈ ) e UO ₂ . Ambas as formas de óxido são sólidos que têm baixa solubilidade em água e são relativamente estáveis ​​ao longo de uma vasta gama de condições ambientais. Triuranium octaoxide é (dependendo das condições) o composto mais estável de urânio e é a forma mais comummente encontrado na natureza. Dióxido de urânio é a forma em que o urânio é mais vulgarmente utilizado como um combustível de reactor nuclear. Às temperaturas ambientes, UO ₂ irá gradualmente converter para U ₃ O ₈ . Devido à sua estabilidade, óxidos de urânio são geralmente considerados a forma química preferencial para armazenagem ou eliminação.

Química aquosa

Urânio em seus estados de oxidação III, IV, V, VI

Sais de muitos estados de oxidação do urânio são água- solúvel e pode ser estudado em soluções aquosas. As formas iônicas mais comuns são U ³⁺ (marrom-vermelho), L ⁴⁺ (verde), UO +
2 (instável), e UO 2 +
2 (amarelo), para L (III), L (IV), L (V), e U (VI), respectivamente. Algumas sólido compostos e semi-metálicos, como UO e US existem para o urânio estado de oxidação formal (II), mas não há íons simples são conhecidos como existentes solução para esse estado. Íons de U ³⁺ liberar hidrogênio a partir de água e, portanto, são considerados altamente instável. O UO 2 +
2 representa o ião de urânio (VI) e estado é conhecido para formar compostos, tais como carbonato de uranilo, cloreto de uranilo e sulfato de uranilo. UO 2+
2 também forma complexos com vários orgânicos agentes quelantes, as mais comuns das quais é acetato de uranila.

Ao contrário dos sais de urânio uranilo eformas de iões de urânio polyatomic-óxido catiônicos, osuranates, sais contendo um ani-óxido de urânio polyatomic, geralmente não são solúveis em água.

Carbonatos

As interacções de aniões de carbonato de urânio com (VI) fazer com que o diagrama de Pourbaix para mudar significativamente quando o meio é mudado de água a uma solução contendo carbonato. Embora a grande maioria dos carbonatos são insolúveis em água (estudantes são frequentemente ensinou que todos os outros do que os de metais alcalinos, os carbonatos são insolúveis em água), carbonatos de urânio são muitas vezes solúveis em água. Isto porque um catião L (VI) é capaz de se ligar dois terminais óxidos e carbonatos de três ou mais para formar complexos aniónicos.

Diagramas Pourbaix

Urânio num meio aquoso não-complexantes (por exemplo,perclórico / hidróxido de sódio ácido).	O urânio numa solução de carbonato	As concentrações relativas das diferentes formas químicas de urânio em um meio aquoso, não-complexantes (por exemplo,perclórico / hidróxido de sódio ácido).	As concentrações relativas das diferentes formas químicas de urânio em uma solução aquosa de carbonato.

Efeitos do pH

Os diagramas de fracções de urânio na presença de carbonato de ilustrar esta ainda: quando o pH de uma urânio (VI) solução aumenta, o urânio é convertido para um hidróxido de óxido de urânio e hidratada em pHs elevados, torna-se um complexo de hidróxido aniónico.

Quando o carbonato é adicionado, o urânio é convertida para uma série de complexos de carbonato, se o pH é aumentado. Um efeito destas reacções é maior solubilidade de urânio na faixa de pH de 6 a 8, um fato que tem uma incidência directa sobre a estabilidade a longo prazo de combustíveis nucleares de dióxido de urânio gasto.

Hidretos, carbonetos e nitretos

Urânio metálico aquecido a 250 a 300 ° C (482-572 ° F) reage com hidrogénio para formar o hidreto de urânio. Mesmo temperaturas mais elevadas reversivelmente remover o hidrogénio. Esta propriedade faz hidretos de urânio materiais de partida convenientes para criar pó de urânio reativa junto com vários urânio carboneto, nitreto, e compostos de halogeneto. Duas modificações cristalinas de hidreto de urânio existe: uma forma α que é obtida a baixas temperaturas e uma forma β que é criado quando a temperatura de formação é acima de 250 ° C.

Carbonetos de urânio e nitretos de urânio são ambos relativamente inerte compostos semi-metais que são minimamente solúvel em ácidos , reagem com a água, e podem inflamar-se no ar para formar U ₃ O ₈ . Carbonetos de urânio incluem monocarbide urânio (U C ), dicarbide urânio ( UC ₂ ), e tricarbide diuranium ( U ₂ C ₃ ). Ambos UC e UC ₂ são formados por adição de carbono para urânio fundido ou por exposição do metal para o monóxido de carbono a altas temperaturas. Estável inferior a 1800 ° C, L ₂ C ₃ é preparado por sujeição de uma mistura aquecida de UC e UC ₂ ao esforço mecânico. Nitretos de urânio obtidos pela exposição direta do metal a azoto incluem mononitride urânio (ONU), dinitride urânio ( ONU ₂ ), e trinitride diuranium ( U ₂ N ₃ ).

Halides

Hexafluoreto de urânio é a matéria-prima utilizada para separar o urânio 235 do urânio natural.

Todos os fluoretos de urânio são criados usando tetrafluoreto de urânio (UF _4); UF-se ₄ é preparado por hidrofluoração de dióxido de urânio. Redução de UF ₄ com hidrogénio a 1000 ° C produz trifluoreto de urânio (UF _3). Sob as condições adequadas de temperatura e pressão, a reacção de um sólido com ₄ UF gasoso hexafluoreto de urânio (UF ₆₎ pode formar os fluoretos intermediários de U ₂ F _9, U ₄ F _17, e UF _5.

Em temperatura ambiente, UF ₆ tem um alto pressão de vapor, tornando-o útil na processo de difusão gasosa para separar o raro urânio-235 a partir do comum isótopo urânio-238. Este composto pode ser preparado a partir de hidreto de dióxido de urânio e urânio pelo processo seguinte:

UO ₂ + 4 HF → UF ₄ + 2 _H2O (500 ° C, endotérmica)

UF ₄ + F ₂ → UF ₆ (350 ° C, endotérmico)

A UF resultante _6, um sólido branco, é altamente reactivo (por fluoração), facilmente sublima (que emite um vapor que se comporta como um quase gás ideal), e é o composto mais volátil do urânio conhecidas.

Um método de preparação tetracloreto de urânio (UCL ₄₎ é combinar diretamente cloro com um ou outro metal de urânio ou hidreto de urânio. A redução de UCl ₄ por hidrogénio produz tricloreto de urânio (UCL _3), enquanto que os cloretos de altas de urânio são preparados por reacção com cloro adicional. Todos os cloretos de urânio reage com a água eo ar.

E brometos iodetos de urânio são formados por reacção directa de, respectivamente, bromo e iodo com urânio ou por adição de ácidos ₃ UH aqueles do elemento. Exemplos conhecidos são: UBR _3, UBR _{4, 3} UI, UI e _4. Oxi-halogenetos de urânio são solúveis em água e incluem UO ₂ F _2, UOCl _2, UO ₂ Cl _2, e UO ₂ Br _2. Estabilidade de diminuir os oxi-halogenetos, como o peso atômico do componente aumentos de iodetos.

Isótopos

Concentrações naturais

O urânio natural é composto por três grandes isótopos : urânio-238 (99,28% abundância natural), o urânio-235 (0,71%), e urânio-234 (0.0054%). Todos os três são radioativo, emitindo partículas alfa, com a ressalva de que todos os três destes isótopos têm pequenas probabilidades de sofrer fissão espontânea, em vez de emissão alfa.

O urânio-238 é o isótopo mais estável de urânio, com uma semi-vida de cerca de 4,468 x 10 ⁹ anos, aproximadamente o idade da Terra. O urânio-235 tem uma meia-vida de cerca de 7,13 x 10 ⁸ anos, e urânio-234 tem uma meia-vida de cerca de 2,48 x 10 ⁵ anos. Para urânio natural, cerca de 49% dos seus raios alfa são emitidos por cada átomo de ²³⁸ L, e também 49% em ²³⁴ L (uma vez que este último é formado a partir do primeiro) e cerca de 2,0% deles pelo ²³⁵ U. Quando a Terra era jovem, provavelmente, cerca de um quinto de seu urânio foi de urânio-235, mas a percentagem de ²³⁴ U foi, provavelmente, muito menor do que isso.

O urânio-238 é geralmente um emissor α (ocasionalmente, sofre fissão espontânea), através da decomposição "Uranium Series" da deterioração nuclear, que tem 18 membros, todos os quais, eventualmente, se decompõem em chumbo-206 , por uma variedade de caminhos diferentes de decaimento.

O série de decaimento de ²³⁵ L, que é chamado o série actinium tem 15 membros, todos os quais, eventualmente, se decompõem em chumbo-207. As taxas constantes de decaimento Nestas séries de decaimento faz a comparação das razões de pai para elementos derivados úteis em datação radiométrica.

O urânio-234 é um membro da "Uranium Series", e decai para levar-206 através de uma série de isótopos de vida relativamente curta.

O urânio-233 é feita a partir de tório-232 por bombardeamento de neutrões, geralmente em um reator nuclear, e ²³³ L também é físsil. Sua série de decaimento termina com tálio -205.

O urânio-235 é importante tanto para reatores nucleares e armas nucleares , porque é o único isótopo urânio existente na natureza na Terra em qualquer quantidade significativa de que é físsil. Isto significa que pode ser dividida em duas ou três fragmentos ( produtos de fissão) por nêutrons térmicos.

O urânio-238 não é físsil, mas é um isótopo fértil, porque depois ativação de nêutrons pode produzir plutônio-239, outro isótopo físsil. Com efeito, o ²³⁸ núcleo L pode absorver um neutrão para produzir o isótopo radioactivo urânio-239. ²³⁹ L decai por emissão beta a Neptúnio -239, também um beta-emissor, que decai por sua vez, dentro de alguns dias em plutónio-239. ²³⁹ Pu foi usado como material físsil na primeira bomba atômica detonada em um " teste Trinity "em 15 de Julho de 1945 em Novo México.

Enriquecimento

Cascatas de centrífugas a gás são usadas para enriquecer urânio para concentrar seus isótopos físseis.

Na natureza, o urânio é encontrado como o urânio-238 (99.2742%) e urânio-235 (0.7204%). isótopo concentrados separação (enriquece) o físsil do urânio-235 para armas nucleares ea maioria das usinas de energia nuclear, com exceção de gás reatores e arrefecido pressurizado reatores de água pesada. A maioria dos nêutrons liberados por um átomo de fissão do urânio-235 deve impactar outros átomos de urânio-235 para sustentar a reação nuclear em cadeia. A concentração ea quantidade de urânio-235 necessário para alcançar isso é chamado de " massa crítica ".

Para ser considerada "enriquecido", a fracção de urânio-235 deve situar-se entre 3% e 5%. Este processo produz enormes quantidades de urânio que está esgotado de urânio-235 e com um correspondente aumento da fração de urânio-238, chamada urânio empobrecido ou 'DU'. Para ser considerada "empobrecido", a concentração de isótopo de urânio-235 deve ser não mais do que 0,3%. O preço do urânio tem aumentado desde 2001, assim rejeitos de enriquecimento que contenham mais de 0,35% de urânio-235 estão sendo consideradas para re-enriquecimento, levando o preço de hexafluoreto de urânio empobrecido acima de US $ 130 por quilograma em Julho de 2007 de US $ 5 em 2001.

O processo de centrifugação a gás, onde gasoso hexafluoreto de urânio ( UF ₆ ) é separado pela diferença de peso molecular entre ²³⁵ UF ₆ e ²³⁸ UF ₆ utilizando alta velocidade centrífugas, é o processo mais económico e levando enriquecimento. O processo de difusão gasosa tinha sido o principal método para o enriquecimento e foi usada no Projeto Manhattan. Neste processo, hexafluoreto de urânio é repetidamente difundido através de um de prata - zinco de membrana, e os diferentes isótopos de urânio são separados por taxa de difusão (uma vez que o urânio 238 é mais pesado que se difunde ligeiramente mais lento do que o urânio-235). O Método de separação isotópica por laser molecular emprega um laser de feixe de energia precisa para cortar o vínculo entre o urânio-235 e flúor. Isto deixa urânio-238 ligado com o flúor e permite que o urânio-235 de metal para precipitar a partir da solução. Um método alternativo de enriquecimento a laser é conhecido como vapor atómico separação isotópica por laser (AVLIS) e emprega visíveis lasers ajustáveis, como lasers de corante. Outro método utilizado é líquido de difusão térmica.

A exposição humana

Uma pessoa pode ser exposta ao urânio (ou de suas filhas radioactivos como o radão ) por inalação de poeira no ar ou por ingestão de água e alimentos contaminados. A quantidade de urânio no ar é geralmente muito pequeno; no entanto, as pessoas que trabalham em fábricas que processam fosfato fertilizantes , vive perto de instalações do governo que fizeram ou testado armas nucleares, vivem ou trabalham perto de um campo de batalha moderno, onde urânio empobrecido armas foram usadas, ou vivem ou trabalham perto de um carvão usina -fired, facilidades que a minha ou a de minério de urânio processo, ou enriquecer urânio para combustível de reator, pode ter aumentado a exposição ao urânio. Casas ou estruturas que são mais de depósitos de urânio (natural ou depósitos de escória-made man) pode ter uma incidência aumentada de exposição ao gás radônio.

Mais urânio ingerida é excretada durante digestão. apenas 0,5% é absorvida quando formas insolúveis de urânio, como o seu óxido, são ingeridos, enquanto que a absorção do mais solúvel ião uranilo pode ser de até 5%. No entanto, compostos de urânio solúveis tendem a passar rapidamente através do corpo enquanto que os compostos de urânio insolúveis, especialmente quando inalados por meio de poeira nos pulmões, representar um risco de exposição mais grave. Depois de entrar na corrente sanguínea, o urânio absorvido tende a bioacumulação e ficar por muitos anos em tecido ósseo por causa da afinidade de urânio para fosfatos. Urânio não é absorvido através da pele, e partículas alfa libertadas por urânio não pode penetrar na pele.

Urânio torna-se incorporado os iões uranilo, que se acumulam no osso, fígado, rim e tecidos reprodutivos. O urânio pode ser descontaminados de superfícies de aço e aquíferos.

Efeitos e precauções

A função normal do rim , cérebro , fígado, coração , e outros sistemas podem ser afectados pela exposição ao urânio, porque, além de ser fracamente radioactivo, o urânio é um metal tóxico. O urânio é também um tóxico reprodutivo. Efeitos radiológicos são geralmente local, porque a radiação alfa, a principal forma de ²³⁸ U decadência, tem um alcance muito curto, e não penetrar na pele. uranyl ( UO +
2 ) íons, como de trióxido de urânio ou de nitrato de uranilo e outros compostos de urânio hexavalente, têm sido mostrados para causar defeitos de nascimento e danos no sistema imunológico em animais de laboratório. Enquanto o CDC publicou um estudo que nenhum ser humano câncer foi visto como um resultado da exposição a urânio natural ou empobrecido, a exposição ao urânio e os seus produtos de decaimento, especialmente radônio , são amplamente conhecidos e ameaças significativas para a saúde. A exposição ao estrôncio-90, outros produtos de fissão iodo-131, e não está relacionado com a exposição ao urânio, mas pode resultar de procedimentos médicos ou a exposição ao combustível de reator usado ou precipitação de armas nucleares. Embora a exposição acidental inalação a uma concentração elevada de hexafluoreto de urânio resultou em mortes humanas, essas mortes foram associados com a geração de ácido fluorídrico e altamente tóxico uranilo fluoreto em vez de com o próprio urânio. Metal de urânio finamente dividido apresenta um perigo de incêndio porque o urânio é pirofórico; pequenos grãos vai inflamar espontaneamente no ar à temperatura ambiente.

Urânio metálico é comumente tratada com luvas como uma precaução suficiente. O concentrado de urânio é manuseado e contido, de modo a garantir que as pessoas não inalar ou ingerir-lo.