Fondamentaux de radiochimie et de radioécologie. L'uranium, élément chimique : histoire de la découverte et de la réaction de fission nucléaire L'uranium dans la nature

URANUS (du nom de la planète Uranus découverte peu de temps auparavant ; lat. uranium * a. uranium ; n. Uran ; f. uranium ; i. uranio), U, est un élément chimique radioactif du groupe III du système périodique de Mendeleïev, numéro atomique 92, masse atomique 238,0289, appartient aux actinides. L'uranium naturel est constitué d'un mélange de trois isotopes : 238 U (99,282 %, T 1/2 4 468,10 9 ans), 235 U (0,712 %, T 1/2 0,704,10 9 ans), 234 U (0,006 %, T 1 /2 0.244.10 6 ans). Il existe également 11 isotopes radioactifs artificiels connus de l'uranium avec des nombres de masse compris entre 227 et 240. 238 U et 235 U sont les fondateurs de deux séries de désintégration naturelle, à la suite desquelles ils se transforment respectivement en isotopes stables 206 Pb et 207 Pb.

L'uranium a été découvert en 1789 sous forme d'UO 2 par le chimiste allemand M. G. Klaproth. L'uranium métal a été obtenu en 1841 par le chimiste français E. Peligot. Pendant longtemps, l'uranium a été utilisé de manière très limitée et ce n'est qu'avec la découverte de la radioactivité en 1896 que son étude et son utilisation ont commencé.

Propriétés de l'uranium

À l’état libre, l’uranium est un métal gris clair ; en dessous de 667,7°C, il est caractérisé par un réseau cristallin orthorhombique (a=0,28538 nm, b=0,58662 nm, c=0,49557 nm) (modification a), dans la plage de température 667,7-774°C - tétragonal (a = 1,0759 nm , c = 0,5656 nm ; modification G), à une température plus élevée - réseau cubique centré sur le corps (a = 0,3538 nm, modification g). Densité 18700 kg/m 3, point de fusion 1135°C, point d'ébullition environ 3818°C, capacité thermique molaire 27,66 J/(mol.K), résistivité électrique 29,0.10 -4 (Ohm.m), conductivité thermique 22, 5 W/(m.K), coefficient de température de dilatation linéaire 10.7.10 -6 K -1. La température de transition de l'uranium à l'état supraconducteur est de 0,68 K ; faible paramagnétique, susceptibilité magnétique spécifique 1.72.10 -6. Les noyaux 235 U et 233 U se fissionnent spontanément, ainsi que lors de la capture de neutrons lents et rapides, le 238 U se fission uniquement lors de la capture de neutrons rapides (plus de 1 MeV). Lorsque des neutrons lents sont capturés, 238 U se transforme en 239 Pu. La masse critique d'uranium (93,5% 235U) en solutions aqueuses est inférieure à 1 kg, pour une boule ouverte elle est d'environ 50 kg ; pour 233 U, la masse critique est d’environ 1/3 de la masse critique de 235 U.

Éducation et maintien dans la nature

Le principal consommateur d'uranium est l'énergie nucléaire (réacteurs nucléaires, centrales nucléaires). De plus, l’uranium est utilisé pour produire des armes nucléaires. Tous les autres domaines d’utilisation de l’uranium sont d’une importance strictement secondaire.

Uranus est la septième planète du système solaire et la troisième géante gazeuse. La planète est la troisième plus grande et la quatrième en termes de masse et a reçu son nom en l'honneur du père du dieu romain Saturne.

Exactement Uranus a l'honneur d'être la première planète découverte de l'histoire moderne. Cependant, en réalité, sa découverte initiale en tant que planète n’a pas eu lieu. En 1781, l'astronome William Herschel En observant les étoiles de la constellation des Gémeaux, il remarqua un certain objet en forme de disque, qu'il enregistra initialement comme une comète et qu'il rapporta à la Royal Scientific Society of England. Cependant, plus tard, Herschel lui-même fut intrigué par le fait que l'orbite de l'objet s'est avérée pratiquement circulaire et non elliptique, comme c'est le cas pour les comètes. Ce n’est que lorsque cette observation fut confirmée par d’autres astronomes que Herschel parvint à la conclusion qu’il avait effectivement découvert une planète, et non une comète, et que la découverte fut finalement largement acceptée.

Après avoir confirmé les données selon lesquelles l'objet découvert était une planète, Herschel a reçu l'extraordinaire privilège de lui donner son nom. Sans hésitation, l’astronome a choisi le nom du roi George III d’Angleterre et a nommé la planète Georgium Sidus, ce qui signifie « l’étoile de George ». Cependant, le nom n'a jamais reçu de reconnaissance scientifique et les scientifiques, pour la plupart, est arrivé à la conclusion qu'il vaut mieux adhérer à une certaine tradition en nommant les planètes du système solaire, à savoir les nommer en l'honneur des anciens dieux romains. C'est ainsi qu'Uranus tire son nom moderne.

Actuellement, la seule mission planétaire qui a réussi à collecter des informations sur Uranus est Voyager 2.

Cette rencontre, qui a eu lieu en 1986, a permis aux scientifiques d'obtenir une quantité assez importante de données sur la planète et de faire de nombreuses découvertes. Le vaisseau spatial a transmis des milliers de photographies d'Uranus, de ses lunes et de ses anneaux. Bien que de nombreuses photographies de la planète ne montrent guère plus que la couleur bleu-vert visible depuis les télescopes au sol, d'autres images ont montré la présence de dix lunes jusqu'alors inconnues et de deux nouveaux anneaux. Aucune nouvelle mission vers Uranus n’est prévue dans un avenir proche.

En raison de la couleur bleu foncé d'Uranus, il s'est avéré beaucoup plus difficile de créer un modèle atmosphérique de la planète que des modèles identiques ou même . Heureusement, les images du télescope spatial Hubble ont fourni une image plus large. Des technologies d'imagerie par télescope plus modernes ont permis d'obtenir des images beaucoup plus détaillées que celles de Voyager 2. Ainsi, grâce aux photographies de Hubble, il a été possible de découvrir qu'il existe des bandes latitudinales sur Uranus, comme sur d'autres géantes gazeuses. De plus, la vitesse du vent sur la planète peut atteindre plus de 576 km/heure.

On pense que la raison de l'apparition d'une atmosphère monotone est la composition de sa couche supérieure. Les couches visibles des nuages ​​sont composées majoritairement de méthane, qui absorbe ces longueurs d'onde observées correspondant à la couleur rouge. Ainsi, les ondes réfléchies sont représentées par des couleurs bleues et vertes.

Sous cette couche externe de méthane, l’atmosphère est composée d’environ 83 % d’hydrogène (H2) et 15 % d’hélium, avec un peu de méthane et d’acétylène. Cette composition est similaire à celle des autres géantes gazeuses du système solaire. Cependant, l’atmosphère d’Uranus est étonnamment différente d’une autre manière. Alors que Jupiter et Saturne ont une atmosphère majoritairement gazeuse, celle d'Uranus contient beaucoup plus de glace. La preuve en est les températures extrêmement basses à la surface. Compte tenu du fait que la température de l'atmosphère d'Uranus atteint -224°C, elle peut être qualifiée d'atmosphère la plus froide du système solaire. De plus, les données disponibles indiquent que des températures extrêmement basses sont présentes sur presque toute la surface d’Uranus, même du côté qui n’est pas éclairé par le Soleil.

Uranus, selon les planétologues, se compose de deux couches : le noyau et le manteau. Les modèles actuels suggèrent que le noyau est principalement composé de roches et de glace et qu’il représente environ 55 fois sa masse. Le manteau de la planète pèse 8,01 x 10 puissance 24 kg, soit environ 13,4 masses terrestres. De plus, le manteau est constitué d'eau, d'ammoniac et d'autres éléments volatils. La principale différence entre le manteau d'Uranus, celui de Jupiter et celui de Saturne est qu'il est glacé, mais pas au sens traditionnel du terme. Le fait est que la glace est très chaude et épaisse et que l'épaisseur du manteau est de 5,111 km.

Ce qui est le plus surprenant dans la composition d’Uranus, et ce qui la distingue des autres géantes gazeuses de notre système stellaire, c’est qu’elle ne rayonne pas plus d’énergie qu’elle n’en reçoit du Soleil. Étant donné que même , dont la taille est très proche d'Uranus, produit environ 2,6 fois plus de chaleur qu'elle n'en reçoit du Soleil, les scientifiques sont aujourd'hui très intrigués par une puissance aussi faible générée par Uranus. Il existe actuellement deux explications à ce phénomène. La première indique qu'Uranus a été exposé à un objet spatial massif dans le passé, ce qui a fait perdre à la planète une grande partie de sa chaleur interne (acquise lors de sa formation) dans l'espace. La deuxième théorie affirme qu’il existe une sorte de barrière à l’intérieur de la planète qui ne permet pas à la chaleur interne de la planète de s’échapper vers la surface.

Orbite et rotation d'Uranus

La découverte même d’Uranus a permis aux scientifiques de presque doubler le rayon du système solaire connu. Cela signifie qu’en moyenne l’orbite d’Uranus est d’environ 2,87 x 10 puissance 9 km. La raison d'une telle distance est la durée du passage du rayonnement solaire du Soleil à la planète. Il faut environ deux heures et quarante minutes à la lumière du soleil pour atteindre Uranus, soit près de vingt fois plus de temps qu'il n'en faut pour atteindre la Terre. L'énorme distance affecte également la durée de l'année sur Uranus : elle dure près de 84 années terrestres.

L'excentricité orbitale d'Uranus est de 0,0473, ce qui n'est que légèrement inférieure à celle de Jupiter - 0,0484. Ce facteur fait d'Uranus la quatrième planète du système solaire en termes d'orbite circulaire. La raison d'une si petite excentricité de l'orbite d'Uranus est que la différence entre son périhélie de 2,74 x 10 puissance 9 km et son aphélie de 3,01 x 109 km n'est que de 2,71 x 10 puissance 8 km.

Le point le plus intéressant concernant la rotation d’Uranus est la position de l’axe. Le fait est que l'axe de rotation de chaque planète, à l'exception d'Uranus, est approximativement perpendiculaire à leur plan orbital, mais l'axe d'Uranus est incliné de près de 98°, ce qui signifie effectivement qu'Uranus tourne sur le côté. Le résultat de cette position de l'axe de la planète est que le pôle nord d'Uranus se trouve sur le Soleil pendant la moitié de l'année planétaire et l'autre moitié se trouve sur le pôle sud de la planète. En d’autres termes, la journée sur un hémisphère d’Uranus dure 42 années terrestres, et la nuit sur l’autre hémisphère dure la même durée. Les scientifiques citent à nouveau une collision avec un énorme corps cosmique comme raison pour laquelle Uranus « s’est retourné sur le côté ».

Considérant que les anneaux les plus populaires de notre système solaire sont restés pendant longtemps les anneaux de Saturne, les anneaux d'Uranus n'ont pu être découverts qu'en 1977. Cependant, ce n'est pas la seule raison ; il existe deux autres raisons pour une détection aussi tardive : la distance de la planète à la Terre et la faible réflectivité des anneaux eux-mêmes. En 1986, la sonde spatiale Voyager 2 a pu déterminer la présence de deux anneaux supplémentaires sur la planète, en plus de ceux connus à l'époque. En 2005, le télescope spatial Hubble en a repéré deux autres. Aujourd'hui, les planétologues connaissent 13 anneaux d'Uranus, dont le plus brillant est l'anneau Epsilon.

Les anneaux d'Uranus diffèrent de ceux de Saturne sur presque tous les points : de la taille des particules à la composition. Premièrement, les particules qui composent les anneaux de Saturne sont petites, ne dépassant pas quelques mètres de diamètre, tandis que les anneaux d'Uranus contiennent de nombreux corps pouvant atteindre vingt mètres de diamètre. Deuxièmement, les particules des anneaux de Saturne sont principalement constituées de glace. Les anneaux d’Uranus, cependant, sont composés à la fois de glace et d’importantes poussières et débris.

William Herschel n'a découvert Uranus qu'en 1781 parce que la planète était trop sombre pour être vue par les civilisations anciennes. Herschel lui-même a d'abord cru qu'Uranus était une comète, mais a ensuite révisé son opinion et la science a confirmé le statut planétaire de l'objet. Ainsi, Uranus est devenue la première planète découverte de l’histoire moderne. Le nom original proposé par Herschel était « George's Star » – en l'honneur du roi George III, mais la communauté scientifique ne l'a pas accepté. Le nom « Uranus » a été proposé par l'astronome Johann Bode, en l'honneur de l'ancien dieu romain Uranus.
Uranus tourne sur son axe toutes les 17 heures et 14 minutes. Comme , la planète tourne dans une direction rétrograde, opposée à la direction de la Terre et des six autres planètes.
On pense que l’inclinaison inhabituelle de l’axe d’Uranus pourrait provoquer une énorme collision avec un autre corps cosmique. La théorie est qu’une planète censée avoir la taille de la Terre est entrée en collision brutale avec Uranus, qui a décalé son axe de près de 90 degrés.
La vitesse du vent sur Uranus peut atteindre jusqu'à 900 km/h.
Uranus a une masse d'environ 14,5 fois celle de la Terre, ce qui en fait la plus légère des quatre géantes gazeuses de notre système solaire.
Uranus est souvent surnommée la « géante des glaces ». En plus de l'hydrogène et de l'hélium dans sa couche supérieure (comme les autres géantes gazeuses), Uranus possède également un manteau de glace qui entoure son noyau de fer. La haute atmosphère est constituée de cristaux d’ammoniac et de méthane glacé, ce qui donne à Uranus sa couleur bleu pâle caractéristique.
Uranus est la deuxième planète la moins dense du système solaire, après Saturne.

Lorsque les éléments radioactifs du tableau périodique ont été découverts, l’homme a finalement trouvé une utilisation pour les utiliser. C'est ce qui s'est produit avec l'uranium. Il était utilisé à des fins militaires et pacifiques. Le minerai d'uranium était traité et l'élément obtenu était utilisé dans l'industrie des peintures, vernis et verre. Après la découverte de sa radioactivité, il a commencé à être utilisé dans Dans quelle mesure ce carburant est-il propre et respectueux de l'environnement ? Cela fait encore débat.

Uranium naturel

L'uranium n'existe pas dans la nature sous sa forme pure : c'est un composant des minerais et des minéraux. Les principaux minerais d'uranium sont la carnotite et la pitchblende. En outre, des gisements importants de ce minéral stratégique ont été découverts dans des minéraux de terres rares et de tourbe - orthite, titanite, zircon, monazite, xénotime. Les gisements d'uranium peuvent être trouvés dans des roches présentant un environnement acide et de fortes concentrations de silicium. Ses compagnons sont la calcite, la galène, la molybdénite, etc.

Dépôts et réserves mondiaux

À ce jour, de nombreux gisements ont été explorés dans une couche de 20 kilomètres de la surface terrestre. Tous contiennent un grand nombre de tonnes d'uranium. Cette quantité peut fournir de l’énergie à l’humanité pendant plusieurs centaines d’années. Les principaux pays dans lesquels le minerai d'uranium se trouve en plus grandes quantités sont l'Australie, le Kazakhstan, la Russie, le Canada, l'Afrique du Sud, l'Ukraine, l'Ouzbékistan, les États-Unis, le Brésil et la Namibie.

Types d'uranium

La radioactivité détermine les propriétés d'un élément chimique. L'uranium naturel est composé de trois isotopes. Deux d'entre eux sont les fondateurs de la série radioactive. Les isotopes naturels de l'uranium sont utilisés pour créer du combustible pour les réactions nucléaires et les armes. L'uranium 238 sert également de matière première pour la production de plutonium 239.

Les isotopes de l'uranium U234 sont des nucléides filles de l'U238. Ils sont reconnus comme les plus actifs et fournissent un fort rayonnement. L'isotope U235 est 21 fois plus faible, bien qu'il soit utilisé avec succès aux fins ci-dessus - il a la capacité de supporter sans catalyseurs supplémentaires.

En plus des isotopes naturels, il existe également des isotopes artificiels de l'uranium. Aujourd'hui, on en connaît 23, le plus important d'entre eux étant le U233. Il se distingue par sa capacité à s'activer sous l'influence de neutrons lents, alors que les autres nécessitent des particules rapides.

Classement du minerai

Bien que l’uranium puisse être trouvé presque partout – même dans les organismes vivants – les strates dans lesquelles on le trouve peuvent varier en type. Les méthodes d'extraction en dépendent également. Le minerai d'uranium est classé selon les paramètres suivants :

1. Conditions de formation - minerais endogènes, exogènes et métamorphogènes.
2. La nature de la minéralisation d'uranium est constituée de minerais d'uranium primaires, oxydés et mixtes.
3. Agrégats et granulométrie des minéraux - fractions de minerai à grains grossiers, à grains moyens, à grains fins, à grains fins et dispersées.
4. Utilité des impuretés - molybdène, vanadium, etc.
5. La composition des impuretés est le carbonate, le silicate, le sulfure, l'oxyde de fer, la caustobiolite.

Selon la classification du minerai d'uranium, il existe une méthode pour en extraire l'élément chimique. Le silicate est traité avec divers acides, des solutions carbonate-soude, la caustobiolite est enrichie par combustion et l'oxyde de fer est fondu dans un haut fourneau.

Comment est extrait le minerai d’uranium ?

Comme dans toute entreprise minière, il existe une certaine technologie et des méthodes pour extraire l’uranium de la roche. Tout dépend aussi de l'isotope qui se trouve dans la couche lithosphérique. Le minerai d'uranium est extrait de trois manières. Il est économiquement réalisable d'isoler un élément d'une roche lorsque sa teneur est de 0,05 à 0,5 %. Il existe des méthodes d'extraction par mine, carrière et lixiviation. L'utilisation de chacun d'eux dépend de la composition des isotopes et de la profondeur de la roche. L'exploitation en carrière de minerai d'uranium est possible dans des gisements peu profonds. Le risque d'exposition aux radiations est minime. Il n'y a aucun problème avec l'équipement - les bulldozers, les chargeuses et les camions à benne basculante sont largement utilisés.

L’exploitation minière est plus complexe. Cette méthode est utilisée lorsque l'élément se trouve à une profondeur allant jusqu'à 2 kilomètres et est économiquement rentable. La roche doit contenir une forte concentration d’uranium pour qu’elle vaille la peine d’être exploitée. La galerie offre une sécurité maximale, grâce à la manière dont le minerai d'uranium est extrait sous terre. Les travailleurs reçoivent des vêtements spéciaux et les horaires de travail sont strictement limités. Les mines sont équipées d'ascenseurs et d'une ventilation améliorée.

La lixiviation – la troisième méthode – est la plus propre du point de vue environnemental et de la sécurité des employés des sociétés minières. Une solution chimique spéciale est pompée à travers un système de puits forés. Il se dissout dans la formation et est saturé de composés d'uranium. La solution est ensuite pompée et envoyée vers les usines de transformation. Cette méthode est plus progressive, elle permet de réduire les coûts économiques, bien qu'il existe un certain nombre de restrictions sur son utilisation.

Dépôts en Ukraine

Le pays s'est avéré être l'heureux propriétaire des gisements de l'élément à partir duquel il est produit. Selon les prévisions, les minerais d'uranium de l'Ukraine contiennent jusqu'à 235 tonnes de matières premières. Actuellement, seuls des gisements contenant environ 65 tonnes ont été confirmés. Un certain montant a déjà été développé. Une partie de l’uranium était utilisée au niveau national et une autre partie était exportée.

Le principal gisement est considéré comme la région minéralisée d'uranium de Kirovograd. La teneur en uranium est faible - de 0,05 à 0,1 % par tonne de roche, ce qui signifie que le coût du matériau est élevé. En conséquence, les matières premières obtenues sont échangées en Russie contre des barres de combustible finies pour les centrales électriques.

Le deuxième grand gisement est Novokonstantinovskoye. La teneur en uranium de la roche a permis de réduire le coût de près de 2 fois par rapport à Kirovograd. Cependant, depuis les années 90, aucun développement n'a été réalisé, toutes les mines ont été inondées. En raison de la détérioration des relations politiques avec la Russie, l'Ukraine pourrait se retrouver sans carburant pour

Minerai d'uranium russe

En termes de production d'uranium, la Fédération de Russie occupe la cinquième place parmi les autres pays du monde. Les plus célèbres et les plus puissants sont Khiagdinskoye, Kolichkanskoye, Istochnoye, Koretkondinskoye, Namarusskoye, Dobrynskoye (République de Bouriatie), Argunskoye, Zherlovoye. Dans la région de Chita, 93 % de tout l'uranium russe extrait est extrait (principalement par des méthodes de carrière et de mine).

La situation est un peu différente avec les gisements de Bouriatie et de Kurgan. Le minerai d'uranium en Russie dans ces régions est déposé de telle manière qu'il permet l'extraction des matières premières par lixiviation.

Au total, des gisements de 830 tonnes d'uranium sont prévus en Russie ; il existe environ 615 tonnes de réserves confirmées. Il s'agit également de gisements en Yakoutie, en Carélie et dans d'autres régions. L’uranium étant une matière première stratégique mondiale, les chiffres peuvent être inexacts, car une grande partie des données sont classifiées et seule une certaine catégorie de personnes y a accès.

Le contenu de l'article

URANUS, U (uranium), élément chimique métallique de la famille des actinides, qui comprend Ac, Th, Pa, U et des éléments transuraniens (Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). L'uranium a gagné en importance en raison de son utilisation dans les armes nucléaires et l'énergie nucléaire. Les oxydes d'uranium sont également utilisés pour colorer le verre et la céramique.

Être dans la nature.

La teneur en uranium de la croûte terrestre est de 0,003 % et on le trouve dans la couche superficielle de la terre sous la forme de quatre types de sédiments. Il s'agit d'abord de filons d'uraninite, ou brai d'uranium (dioxyde d'uranium UO 2), très riche en uranium, mais rare. Ils sont accompagnés de gisements de radium, puisque le radium est un produit direct de la désintégration isotopique de l'uranium. De telles veines se trouvent au Zaïre, au Canada (Grand Lac de l'Ours), en République tchèque et en France. La deuxième source d'uranium est constituée de conglomérats de minerais de thorium et d'uranium ainsi que de minerais d'autres minéraux importants. Les conglomérats contiennent généralement des quantités suffisantes d'or et d'argent pour être récupérés, l'uranium et le thorium étant des éléments associés. De grands gisements de ces minerais se trouvent au Canada, en Afrique du Sud, en Russie et en Australie. La troisième source d'uranium est constituée de roches sédimentaires et de grès riches en carnotite minérale (uranyle vanadate de potassium), qui contient, en plus de l'uranium, une quantité importante de vanadium et d'autres éléments. De tels minerais se trouvent dans les États occidentaux des États-Unis. Les schistes fer-uranifères et les minerais de phosphate constituent une quatrième source de sédiments. De riches gisements se trouvent dans les schistes de Suède. Certains minerais de phosphate au Maroc et aux États-Unis contiennent des quantités importantes d'uranium, et les gisements de phosphate en Angola et en République centrafricaine sont encore plus riches en uranium. La plupart des lignites et certains charbons contiennent généralement des impuretés d'uranium. Des gisements de lignite riches en uranium ont été découverts dans le Dakota du Nord et du Sud (États-Unis) et des charbons bitumineux en Espagne et en République tchèque.

Ouverture.

Uranus a été découvert en 1789 par le chimiste allemand M. Klaproth, qui a nommé cet élément en l'honneur de la découverte de la planète Uranus 8 ans plus tôt. (Klaproth était le principal chimiste de son époque ; il a également découvert d'autres éléments, notamment Ce, Ti et Zr.) En fait, la substance obtenue par Klaproth n'était pas de l'uranium élémentaire, mais une forme oxydée de celui-ci, et l'uranium élémentaire a été obtenu pour la première fois par le chimiste français E. .Peligo en 1841. Du moment de la découverte jusqu'au 20e siècle. L'uranium n'avait pas l'importance qu'il a aujourd'hui, même si bon nombre de ses propriétés physiques, ainsi que sa masse atomique et sa densité, ont été déterminées. En 1896, A. Becquerel établit que les sels d'uranium possèdent un rayonnement qui éclaire une plaque photographique dans l'obscurité. Cette découverte a incité les chimistes à rechercher dans le domaine de la radioactivité et en 1898, les physiciens français époux P. Curie et M. Sklodowska-Curie ont isolé des sels des éléments radioactifs polonium et radium, et E. Rutherford, F. Soddy, K. Fayans. et d'autres scientifiques ont développé la théorie de la désintégration radioactive, qui a jeté les bases de la chimie nucléaire et de l'énergie nucléaire modernes.

Premières utilisations de l'uranium.

Bien que la radioactivité des sels d'uranium soit connue, leurs minerais dans le premier tiers de ce siècle n'étaient utilisés que pour obtenir le radium qui les accompagnait, et l'uranium était considéré comme un sous-produit indésirable. Son utilisation se concentrait principalement dans la technologie céramique et la métallurgie ; Les oxydes d'uranium étaient largement utilisés pour colorer le verre dans des couleurs allant du jaune pâle au vert foncé, ce qui a contribué au développement d'une production de verre peu coûteuse. Aujourd’hui, les produits issus de ces industries sont identifiés comme fluorescents sous les rayons ultraviolets. Pendant la Première Guerre mondiale et peu de temps après, l'uranium sous forme de carbure a été utilisé dans la production d'aciers à outils, similaires au Mo et au W ​​; 4 à 8 % d’uranium ont remplacé le tungstène, dont la production était alors limitée. Pour obtenir des aciers à outils, plusieurs tonnes de ferrouranium contenant jusqu'à 30 % (en masse) d'U ont été produites chaque année entre 1914 et 1926. Cependant, cette utilisation de l'uranium n'a pas duré longtemps.

Utilisations modernes de l'uranium.

L'industrie de l'uranium a commencé à prendre forme en 1939, lorsque la fission de l'isotope de l'uranium 235 U a été réalisée, ce qui a conduit à la mise en œuvre technique de réactions en chaîne contrôlées de fission de l'uranium en décembre 1942. C'est la naissance de l'ère de l'atome. , lorsque l'uranium est passé d'un élément insignifiant à l'un des éléments les plus importants de la société vivante. L’importance militaire de l’uranium pour la production de la bombe atomique et son utilisation comme combustible dans les réacteurs nucléaires a provoqué une augmentation astronomique de la demande d’uranium. La chronologie de la croissance de la demande en uranium basée sur l'histoire des sédiments du Grand Lac de l'Ours (Canada) est intéressante. En 1930, de la résine blende, un mélange d'oxydes d'uranium, a été découverte dans ce lac, et en 1932, une technologie de purification du radium a été mise en place dans cette zone. De chaque tonne de minerai (mélange de résine), on a obtenu 1 g de radium et environ une demi-tonne de sous-produit, du concentré d'uranium. Cependant, il y avait peu de radium et son extraction fut arrêtée. De 1940 à 1942, le développement reprit et le minerai d'uranium commença à être expédié vers les États-Unis. En 1949, une purification similaire de l'uranium, avec quelques améliorations, a été utilisée pour produire de l'UO 2 pur. Cette production s'est développée et constitue aujourd'hui l'une des plus grandes installations de production d'uranium.

Propriétés.

L'uranium est l'un des éléments les plus lourds présents dans la nature. Le métal pur est très dense, ductile, électropositif avec une faible conductivité électrique et hautement réactif.

L'uranium a trois modifications allotropiques : un-l'uranium (réseau cristallin orthorhombique), existe dans la plage allant de la température ambiante à 668°C ; b-l'uranium (réseau cristallin complexe de type tétragonal), stable entre 668 et 774°C ; g-uranium (réseau cristallin cubique centré), stable de 774°C jusqu'au point de fusion (1132°C). Puisque tous les isotopes de l’uranium sont instables, tous ses composés présentent une radioactivité.

Isotopes de l'uranium

238 U, 235 U, 234 U sont présents dans la nature dans un rapport de 99,3 : 0,7 : 0,0058, et le 236 U est présent à l'état de traces. Tous les autres isotopes de l'uranium de 226 U à 242 U sont obtenus artificiellement. L'isotope 235 U est particulièrement important. Sous l'influence de neutrons lents (thermiques), il se divise, libérant une énergie énorme. La fission complète de 235 U entraîne la libération d'un « équivalent d'énergie thermique » de 2H 10 7 kWh/kg. La fission de 235 U peut être utilisée non seulement pour produire de grandes quantités d’énergie, mais également pour synthétiser d’autres éléments actinides importants. L'isotope naturel de l'uranium peut être utilisé dans les réacteurs nucléaires pour produire des neutrons produits par la fission de 235 U, tandis que les neutrons en excès non requis par la réaction en chaîne peuvent être capturés par un autre isotope naturel, entraînant la production de plutonium :

Lorsque le 238 U est bombardé de neutrons rapides, les réactions suivantes se produisent :

Selon ce schéma, l'isotope le plus courant 238 U peut être converti en plutonium 239, qui, comme le 235 U, est également capable de fission sous l'influence de neutrons lents.

Actuellement, un grand nombre d'isotopes artificiels de l'uranium ont été obtenus. Parmi eux, l’233 U est particulièrement remarquable car il fissile également lorsqu’il interagit avec des neutrons lents.

Certains autres isotopes artificiels de l'uranium sont souvent utilisés comme traceurs radioactifs dans la recherche chimique et physique ; c'est avant tout b- émetteur 237 U et un- émetteur 232 U.

Connexions.

L'uranium, un métal hautement réactif, a des états d'oxydation de +3 à +6, est proche du béryllium dans la série d'activités, interagit avec tous les non-métaux et forme des composés intermétalliques avec Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg , Mg, Ni, Pb, Sn et Zn. L'uranium finement broyé est particulièrement réactif et à des températures supérieures à 500°C, il entre souvent dans des réactions caractéristiques de l'hydrure d'uranium. L'uranium en morceaux ou en copeaux brûle vivement entre 700 et 1 000 °C, et les vapeurs d'uranium brûlent déjà entre 150 et 250 °C ; l'uranium réagit avec l'HF entre 200 et 400 °C, formant de l'UF 4 et du H 2 . L'uranium se dissout lentement dans HF ou H 2 SO 4 concentré et 85 % H 3 PO 4 même à 90°C, mais réagit facilement avec la concentration. HCl et moins actif avec HBr ou HI. Les réactions les plus actives et les plus rapides de l'uranium avec le HNO 3 dilué et concentré se produisent avec la formation de nitrate d'uranyle ( voir ci-dessous). En présence de HCl, l’uranium se dissout rapidement dans les acides organiques, formant des sels organiques U4+. Selon le degré d'oxydation, l'uranium forme plusieurs types de sels (les plus importants d'entre eux sont ceux de l'U 4+, l'un d'eux UCl 4 est un sel vert facilement oxydable) ; les sels d'uranyle (radical UO 2 2+) du type UO 2 (NO 3) 2 sont de couleur jaune et fluorescents en vert. Les sels d'uranyle se forment en dissolvant l'oxyde amphotère UO 3 (couleur jaune) dans un milieu acide. En milieu alcalin, UO 3 forme des uranates tels que Na 2 UO 4 ou Na 2 U 2 O 7. Ce dernier composé (« uranyle jaune ») est utilisé pour la fabrication d'émaux de porcelaine et dans la production de verres fluorescents.

Les halogénures d'uranium ont été largement étudiés dans les années 1940-1950, car ils ont été utilisés pour développer des méthodes de séparation des isotopes de l'uranium pour la bombe atomique ou le réacteur nucléaire. Le trifluorure d'uranium UF 3 a été obtenu par réduction de UF 4 avec de l'hydrogène, et le tétrafluorure d'uranium UF 4 est obtenu de diverses manières par des réactions de HF avec des oxydes tels que UO 3 ou U 3 O 8 ou par réduction électrolytique de composés d'uranyle. L'hexafluorure d'uranium UF 6 est obtenu par fluoration de l'U ou de l'UF 4 avec du fluor élémentaire ou par action de l'oxygène sur UF 4 . L'hexafluorure forme des cristaux transparents à indice de réfraction élevé à 64°C (1137 mm Hg) ; le composé est volatil (sous pression normale il se sublime à 56,54°C). Les oxohalogénures d'uranium, par exemple les oxofluorures, ont la composition UO 2 F 2 (fluorure d'uranyle), UOF 2 (difluorure d'oxyde d'uranium).

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"Université d'État bachkire"

Faculté de chimie

Département de chimie inorganique

Àtravail de cours

Dans la discipline "Chimie inorganique"

L'uranium et ses composés

Complété par : Makhmutov Timur Fanilevich

Introduction

1. Histoire de la découverte de l'uranium

2. Dépôts et prévalence dans la nature

3. Composés d'uranium. Hydrures d'uranium

Conclusion

Bibliographie

Introduction

L'uranium (version obsolète uranium) est un élément chimique de numéro atomique 92 dans le tableau périodique, de masse atomique 238,029 ; appartient à la famille des actinides. L'uranium métal sous sa forme pure est un métal argenté dense, brillant qui se recouvre dans l'air d'une fine pellicule d'oxyde. L'uranium métal est un mauvais conducteur de l'électricité, sa conductivité électrique est près de la moitié de celle du fer. La capacité thermique de l'uranium métallique est 3,3 fois inférieure à celle du cuivre, et la conductivité thermique est environ trois fois inférieure à celle de l'acier inoxydable et 13 fois inférieure à celle du cuivre. Selon sa susceptibilité magnétique, il appartient aux éléments paramagnétiques et peut former des alliages non ferromagnétiques.

L'uranium naturel est constitué d'un mélange de trois isotopes : 238U, 235U et 234U.

L’isotope de l’uranium le plus largement utilisé est l’235U, dans lequel une réaction nucléaire en chaîne auto-entretenue est possible. Par conséquent, cet isotope est utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires ainsi que dans les armes nucléaires. L'isolement de l'isotope U235 de l'uranium naturel est un problème technologique complexe. 1 tonne d'uranium enrichi équivaut en capacité de dégagement de chaleur à 1 million 350 000 tonnes de pétrole ou de gaz naturel.

Dans ce travail de cours, je me suis fixé 3 objectifs :

1) Examen des méthodes de production d'uranium.

2) Prise en compte des propriétés chimiques de ce métal.

3) Rechercher des informations sur les composés de l'uranium.

1. Histoire de la découverte de l'uranium

La première date importante dans l’histoire de l’uranium est 1789, lorsque le philosophe naturel et chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth a réduit la « terre » jaune d’or extraite du minerai de poix saxonne en une substance semblable à un métal noir. En l'honneur de la planète la plus lointaine connue à l'époque (découverte par William Herschel huit ans plus tôt), Klaproth, considérant la nouvelle substance comme un élément, la nomma uranium.

Pendant cinquante ans, l'uranium de Klaproth a été considéré comme un métal. Ce n'est qu'en 1841 que le Français Eugène Peligo prouva que, malgré l'éclat métallique caractéristique, l'uranium de Klaproth n'est pas un élément, mais un oxyde UO2. Peligo a réussi à obtenir du véritable uranium, un métal lourd gris acier.

La prochaine étape importante dans l'étude de l'uranium a été franchie en 1874 par D.I. Mendeleïev. En se basant sur le système périodique qu'il a développé, il a placé l'uranium dans la cellule la plus éloignée de son tableau. Auparavant, le poids atomique de l'uranium était estimé à 120. Le grand chimiste a doublé cette valeur. Douze ans plus tard, la prédiction de Mendeleïev fut confirmée par les expériences du chimiste allemand Zimmermann. Les études systématiques sur l'uranium ont commencé en 1896, après la découverte de la radioactivité par Henri Becquerel. Becquerel a exposé à la lumière de minces cristaux placés sur une plaque photographique enveloppée dans du papier noir. Il a placé des anneaux métalliques entre la préparation d'uranium et le papier protecteur, pensant que les rayons X excités par la lumière du soleil traverseraient facilement le papier, mais seraient bloqués par le métal. Dans ce cas, une ombre annulaire doit apparaître sur la plaque. Les expériences se sont avérées fructueuses : après développement, le contour de l’anneau était bien visible sur la plaque.

Comme Roentgen, Becquerel décide tout d’abord d’étudier le pouvoir pénétrant des rayonnements invisibles. Ce travail a nécessité de nombreuses expériences. Les anneaux métalliques, leur emplacement et le temps passé au soleil ont changé. Mais fin février, les jours d’orage arrivèrent, et les préparations et plaques préparées pour les expériences restèrent dans le tiroir du bureau du professeur. Le premier mars, le soleil brillait à nouveau, mais Becquerel, le plus ponctuel, organisa une expérience en arrière-plan : les « anciens » disques allèrent au développeur. Les silhouettes des préparations d'uranium et des anneaux métalliques se sont révélées encore plus nettes que lors des expériences précédentes. Il est devenu évident que le rayonnement pénétrant n'a rien à voir avec la phosphorescence, qu'il existe indépendamment de quoi que ce soit : ce serait l'uranium. Ou sa connexion. En 1938, les physiciens allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann ont découvert un phénomène inattendu qui se produit avec un noyau d'uranium lorsqu'il est irradié par des neutrons. En capturant un neutron libre, le noyau de l'isotope de l'uranium 235U est divisé et une grande quantité d'énergie est libérée (pour un noyau d'uranium), principalement en raison de l'énergie cinétique des fragments et du rayonnement. Plus tard, la théorie de ce phénomène a été étayée par Lise Meitner et Otto Frisch et indépendamment par Gottfried von Droste et Siegfried Flügge. Cette découverte fut à l’origine d’une utilisation à la fois pacifique et militaire de l’énergie intra-atomique.

En 1939-1940 Yu.B. Khariton et Ya.B. Zeldovich a été le premier à montrer théoriquement qu'avec un léger enrichissement de l'uranium naturel en uranium 235, il est possible de créer les conditions d'une fission continue des noyaux atomiques, c'est-à-dire de donner au processus un caractère en chaîne.

2. Dépôts et prévalence dans la nature

Informations générales. Au cours de recherches scientifiques et géologiques à grande échelle dans la seconde moitié du XXe siècle. Il a été établi que l'uranium est assez courant dans la nature. En termes de teneur en roches cristallines, il se classe au 48ème rang parmi les autres éléments. On l'a trouvé même dans l'eau de mer (à une concentration de 150 μg/m3) et en quantités microscopiques dans les tissus des plantes, des animaux et des humains. Dans la croûte terrestre, il y en a mille fois plus que l'or, 30 fois plus que l'argent et presque autant que le plomb et le zinc. On le trouve dans environ 200 minéraux différents et ses concentrations dans certains granites peuvent présenter un risque biologique. En général, l’uranium est fortement dispersé dans les roches et les sols et est dissous à l’état de traces dans les eaux des mers et des océans. Seule une partie relativement faible de cette ressource est concentrée dans des gisements économiquement efficaces pour la production industrielle et l'utilisation à des fins énergétiques.

Minerais et minéraux d'uranium. La concentration d'uranium dans les minerais des gisements est d'environ 0,1 à 0,5 %, et atteint parfois plusieurs pour cent (par exemple, les gisements de la Saskatchewan au Canada). Les minerais des veines hydrothermales magmatiques et des pegmatites et un certain nombre d'autres à haute teneur en minéraux tels que l'uraninite (goudron d'uranium), la carnotite, etc. sont les plus intéressants. En général, de toute la variété (environ 200) d'uranium et d'uranium -contenant des minerais et des minéraux, une dizaine seulement présente un intérêt industriel. Parmi eux figurent les oxydes d'uranium (uraninite et ses variétés), les silicates (coffinit), les titanates (brannerite), etc.

Les minéraux d'uranium sont divisés en minéraux primaires, formés lors de la formation de la croûte terrestre, et secondaires - ceux qui se sont formés à des stades ultérieurs de son développement sous l'influence de certains facteurs naturels. uranium chimique nucléaire

Il existe des minéraux d'oxyde d'uranium, des silicates, des titanates, des niobates de tantale, etc. Le plus connu des minéraux oxydés primaires est la pitchblende, également connue sous le nom de goudron d'uranium ou de mélange de résine. Habituellement, la formule U3O8 est attribuée à ce minéral, mais en réalité la composition de la pechblende est variable, et la formule UO2.25 semble plus précise. Ce minéral est appelé blende pour sa couleur changeante : gris foncé, noir, noir verdâtre. Et du goudron - parce que ses grains ressemblent vraiment à des gouttes de résine gelée.

Parmi les minéraux secondaires, l'otenthite jaune-vert est courante - le phosphate d'uranyle de calcium hydraté Ca(UO2)2(PO4)2 · 8H2O.

	Composition de base du minéral
Uraninite	UO2, UO3 + ThO2, CeO2
Carnotite	K2(UO2)2(VO4)22H2O
	PbO2 UO3 SiO2 H2O
Samarcite	(Y, Er, Ce, U, Ca, Fe, Pb, Th) (Nb, Ta, Ti, Sn)2O6
Brannérite	(U, Ca, Fe, Y, Th)3Ti5O15
Tyuyamunit	CaO 2UO3 V2O5 nH2O
Tseynerit	Cu(UO2)2(AsO4)2nH2O
	Ca(UO2)2(PO4)2nH2O
Schreckingérite	Ca3NaUO2(CO3)3SO4(OH)9H2O
Ouranophanes	CaOUO2 2SiO2 6H2O
Fergusonite	(Y, Ce)(Fe, U)(Nb, Ta)O4
Torburnite	Cu(UO2)2(PO4)2nH2O
Cercueil

Réserves mondiales d'uranium. Des gisements d'uranium ont été découverts dans plus de 40 pays à travers le monde. Les réserves totales d'uranium qu'elles contiennent sont estimées entre 30 et 40 millions de tonnes. Les plus grandes réserves se trouvent en Australie (27 %), au Kazakhstan (17 %) et au Canada (15 %).

Obtention d'uranium.

Une grande variété de méthodes ont été développées pour isoler l’uranium des minerais. La raison en est, d'une part, l'importance stratégique de l'élément n°92, d'autre part, la diversité de ses formes naturelles. Mais quelle que soit la méthode utilisée, quelles que soient les matières premières, toute production d'uranium comprend trois étapes : la concentration préalable du minerai d'uranium, la lixiviation de l'uranium et l'obtention de composés uranifères suffisamment purs par précipitation, extraction ou échange d'ions. , enrichissement du produit avec l'isotope 235U ou récupération immédiate de l'uranium élémentaire.

La toute première étape de la production d’uranium est la concentration. La roche est concassée et mélangée à de l'eau. Les composants lourds de la suspension se stabilisent plus rapidement. Si la roche contient des minéraux primaires d'uranium, ceux-ci précipitent rapidement : ce sont des minéraux lourds. Les minéraux secondaires de l'élément n°92 sont plus légers, auquel cas la gangue lourde se dépose plus tôt. (Cependant, il n’est pas toujours vraiment vide ; il peut contenir de nombreux éléments utiles, dont de l’uranium).

L'étape suivante est la lixiviation des concentrés, transférant l'élément n°92 en solution. En pratique, des lixiviations acides et alcalines sont utilisées. Le premier est moins cher car l’acide sulfurique est utilisé pour extraire l’uranium. Mais si dans la matière première, comme par exemple dans le goudron d'uranium, l'uranium est à l'état tétravalent, alors cette méthode n'est pas applicable : l'uranium tétravalent est pratiquement insoluble dans l'acide sulfurique. Et soit vous devez recourir à la lixiviation alcaline, soit d'abord oxyder l'uranium jusqu'à un état hexavalent.

La lixiviation acide n'est pas non plus utilisée dans les cas où le concentré d'uranium contient de la dolomite ou de la magnésite. Il faut dépenser trop d'acide pour les dissoudre et, dans ces cas, il est préférable d'utiliser de la soude caustique.

Le problème de la lixiviation de l'uranium des minerais est résolu rapidement et efficacement par le soufflage d'oxygène. Un flux d'oxygène est fourni à un mélange de minerai d'uranium et de minéraux sulfurés chauffé à 150°C. Dans ce cas, l'acide sulfurique est formé à partir de minéraux soufrés, qui éliminent l'uranium.

L'uranium doit être isolé sélectivement de la solution résultante. Les méthodes modernes – extraction et échange d’ions – ont permis de résoudre ce problème.

La solution contient non seulement de l'uranium, mais aussi d'autres cations. Certains d'entre eux, sous certaines conditions, se comportent de la même manière que l'uranium : ils sont extraits avec les mêmes solvants organiques, déposés sur les mêmes résines échangeuses d'ions, et précipitent dans les mêmes conditions. Ainsi, pour isoler sélectivement l'uranium, il est nécessaire de recourir à de nombreuses réactions redox afin de se débarrasser de l'un ou l'autre compagnon indésirable à chaque étape. Sur les résines échangeuses d’ions modernes, l’uranium est libéré de manière très sélective.

Les méthodes d'échange et d'extraction d'ions sont également bonnes car elles permettent d'extraire assez complètement l'uranium de solutions pauvres, dans lesquelles il n'y a que des dixièmes de gramme d'élément n°92 par litre.

L'uranium doit encore être purifié des impuretés avec une grande section efficace de capture pour les neutrons thermiques - bore, cadmium, lithium, terres rares. Leur teneur dans le produit final ne doit pas dépasser les cent millièmes et millionièmes de pour cent. Pour éliminer ces impuretés, un composé d’uranium commercialement pur est dissous dans de l’acide nitrique.

U3O8 + 8 HNO3 = 3 UO2(NO3)2 + 2 NO2 + 4 H2O

Dans ce cas, il se forme du nitrate d'uranyle UO2(NO3)2 qui, lors de l'extraction avec du phosphate de tributyle et certaines autres substances, est ensuite purifié selon les normes requises.

UO2(NO3)2 + 6 H2O + 2 (C4H9O)3PO = UO2(NO3)2 * 2(C4H9O)3PO + 6 H2O

Ensuite, cette substance est cristallisée (ou le peroxyde UO4 2H2O est précipité) et soigneusement calcinée. À la suite de cette opération, il se forme du trioxyde d'uranium UO3, qui est réduit avec de l'hydrogène en UO2.

UO2(NO3)2 * 6 H2O = UO3 + 2NO2 + Ѕ O2 + 6 H2O

UO3 + H2 = UO2 + H2O

Cette substance est l'avant-dernière sur le chemin du minerai au métal. À des températures de 430 à 600°C, il réagit avec le fluorure d'hydrogène sec et se transforme en tétrafluorure d'UF4.

UO2 + 4HF = UF4 + H2O

C'est à partir de ce composé que l'uranium métal est généralement obtenu. Préparé en réduisant le tétrafluorure d'uranium avec du magnésium dans une réaction exothermique dans une "bombe" - un récipient scellé, généralement en acier, la procédure générale est connue sous le nom de "procédé thermite". Les réactions dans la « bombe » se produisent à des températures supérieures à 1 300 °C. Un corps en acier durable est nécessaire pour résister à la haute pression à l’intérieur. La « bombe » est chargée de granulés d'UF4 et remplie d'un excès de magnésium finement dispersé et chauffée à 500-700°C, à partir de laquelle une réaction d'auto-échauffement commence. La chaleur de réaction est suffisante pour faire fondre le remplissage de la « bombe », constituée d'uranium métallique et de scories - fluorure de magnésium, MgF2. Les scories se séparent et flottent vers le haut. Lorsque la « bombe » refroidit, elle produit un lingot d’uranium métallique qui, bien qu’il contienne de l’hydrogène, convient comme combustible pour les centrales nucléaires.

UF4 + 2Mg = U(métal) + 2MgF2

Le métal est également obtenu en réduisant les oxydes d'uranium avec du calcium, de l'aluminium ou du carbone à haute température ; ou par électrolyse de KUF5 ou UF4 dissous dans une masse fondue de CaCl2 et NaCl.

Propriétés physiques de l'uranium

L'uranium métal sous sa forme pure est un métal argenté dense, brillant qui se recouvre dans l'air d'une fine pellicule d'oxyde. L'uranium métal présente trois modifications cristallographiques avant de fondre.

À température ambiante, la phase b orthorhombique est stable et consiste en des couches atomiques « ondulées » parallèles au plan ABC. Au sein des couches, les atomes sont étroitement liés, tandis que la force des liaisons entre les atomes des couches adjacentes est beaucoup plus faible (Fig. 1). Cette structure est hautement anisotrope et l'uranium est à cet égard similaire à l'arsenic, à l'antimoine et au bismuth, qui ont également des structures en couches. Dans le cas de l'uranium b, les distances entre les atomes dans les couches ondulées adjacentes sont beaucoup plus grandes (0,33 nm) qu'entre les atomes dans les couches (0,28 nm).

Dans la gamme 668o-775o, il y a de l'uranium b. Le réseau de type tétragonal a une structure en couches. À des températures supérieures à 775°, il se forme du r-uranium avec un réseau cubique centré.

Point de fusion de l'uranium b 1408o

Point d'ébullition - 4091o

Propriétés chimiques de l'uranium

La configuration de la couche électronique externe de l’atome d’uranium est 7s26dl5f3. L'uranium est un métal réactif.

L'uranium, comme de nombreux éléments d, est caractérisé par plusieurs états d'oxydation positifs. L'état d'oxydation le plus élevé est +6. Dans cet état, l'uranium est un analogue électronique complet des éléments du sixième groupe, bien que la différence significative dans les rayons des ions U6+ et W6+ rend la similitude dans la chimie des éléments seulement formelle (les mêmes compositions d'oxydes supérieurs et quelques oxoanions).

La fine poudre d'uranium s'enflamme spontanément dans l'air ; elle s'enflamme à une température de 150 à 175 °C, formant du U3O8.

À des températures élevées, l'uranium réagit facilement avec la vapeur d'eau :

U + 2 H 2O = UO2 + 2 H 2

On pense que le produit initial de cette interaction, l'hydrure d'uranium UH3, réagit ensuite avec l'eau :

2 UH3 + 4 H 2O = 2 UO2 + 7 H 2

L'hydrure d'uranium est une poudre pyrophorique noire formée par l'interaction de substances simples :

U + 3/2 H2 = UH3 ; (t=250 °C)

Non métallique
	20°C, orageux
	180oC pour écrasé 500--600oC pour compact	Mélange de UCl4, UCl5, UCl6
	650°C, calme
	350°C, calme
	250-300°C silencieux, combustion à 500°C
	450-700oC pareil sous pression N 1300o

Le produit de la réaction d'halogénation est déterminé par la nature de l'halogène, le rapport des réactifs et la température :

U + 2 Br2 = UBr4 ;

2 U + 5 Br2 = 2 UBr5

L'uranium est facilement soluble dans l'acide nitrique :

U + 4 HNO3 = UO2(NO3)2 + 2 NON + 2 H 2O

U + 4HCl(conc) = UCl4 + 2H2

L'uranium n'interagit pas avec les solutions alcalines.

3. Composés d'uranium. Hydrures d'uranium

L'uranium métallique chauffé entre 250 °C et 300 °C réagit avec l'hydrogène pour former des hydrures d'uranium. À des températures plus élevées, l’hydrure d’uranium cède de manière réversible de l’hydrogène. Cette propriété permet d'obtenir de la poudre d'uranium réactive - une bonne matière première pour la synthèse de carbure, de nitrure ou d'halogènes d'uranium. La synthèse de l'hydrure d'uranium (III) s'effectue selon la réaction :

et deutérure d'uranium (III) - selon la réaction :

La formation de UN 3 ou UD3 dépend respectivement des pressions partielles de H 3 ou D3 et de la température.

L'UH3 et l'UD3 préparés à basse pression sont de fines poudres noires. À haute pression, des cristaux fibreux atteignant 6 mm de long se forment. Les pièces compactes UH3 ont un aspect métallique. Il existe deux modifications cristallines de l'hydrure d'uranium : la forme b, obtenue à des températures relativement basses, et la forme c, obtenue à des températures supérieures à 250 °C. UH3 et UD3 sont hautement pyrophoriques. La solubilité de l'hydrogène dans l'uranium est moindre que dans le fer, mais à mesure que la température augmente, la solubilité augmente

Par conséquent, les coulées d'uranium peuvent être obstruées par l'hydrogène dissous dans l'uranium fondu.

La teneur en hydrogène à l'équilibre dans la phase b de l'uranium est de 2,10-4 %, ce qui correspond à 1 atome d'hydrogène pour 2 000 atomes d'uranium et change peu avec la température.

Lorsque l'uranium b se transforme en uranium b à 660 °C, la solubilité de l'hydrogène augmente à 8 ? 10-4 % ; lorsque l'uranium b se transforme en uranium g à 770 °C, la solubilité augmente jusqu'à 15 ? 10-4. %. Au point de fusion de l'uranium (1 133°C), la solubilité de l'hydrogène dans l'uranium atteint 28,10-4 %.

La solubilité de l'hydrogène dans l'uranium est directement proportionnelle à la racine carrée de la pression partielle de l'hydrogène.

Halogénures d'uranium

Les halogénures d'uranium constituent une classe vaste et importante de composés ; ils jouent un rôle important dans la mise en œuvre des programmes d’énergie nucléaire. Ainsi, l'hexafluorure d'uranium est utilisé dans la séparation à grande échelle des isotopes 235U et 238U ; le tétrachlorure d'uranium a joué un rôle similaire dans la séparation électromagnétique à grande échelle de ces isotopes. Le tétrafluorure d'uranium est le composé de départ pour la production d'uranium métal et d'hexafluorure d'uranium ; le tétrachlorure est également inclus comme l'un des composants dans la composition du combustible d'un réacteur nucléaire à sels fondus.

Fluorures d'uranium

Six fluorures d'uranium ont été obtenus, parmi lesquels UF3, U4F17, U2F9 et UF4 sont considérés comme non volatils et UF6 est considéré comme volatil. Les fluorures les plus importants sont l'UF4 et l'UF6.

L'hexafluorure d'uranium a été découvert par Raff et Heinzelman. Le fluorure d'uranium (VI), UF6, se forme dans diverses réactions, qui peuvent être divisées en trois groupes : a) réactions avec le fluor élémentaire ; b) réactions utilisant des substances fluorées (fluorures d'halogène, fluorures de métaux supérieurs) ; c) les réactions qui n'utilisent pas de F2 ou d'agents fluorés.

UO 3, U3O 8, UO2 ou UF4 peuvent être fluorés directement avec du fluor. Si l'on fait passer un courant de fluor sur une nacelle contenant la substance de départ, alors avec des échantillons de plusieurs dizaines de grammes, le rendement du produit sera faible pour deux raisons : 1) la préparation est frittée du fait de l'augmentation de la température sur la surface de la substance pendant la réaction ; 2) il est recouvert d'une couche de fluorures intermédiaires à bas point de fusion UF5, U2F9 et U4F17. Par conséquent, pour de tels échantillons, la synthèse en lit fluidisé est utilisée, pour laquelle l'UF4 est particulièrement adapté.

La fluoration de l'oxyde d'uranium se déroule selon la réaction :

UO2 (1/3U3O8 ; UO3) + 3F2 = UF6 + nO2 (t>500°С, 370°С, 400°С)

La réaction en lit fluidisé s'effectue selon l'équation :

ou U3O8+ 9F2 = 3UF6 + 4O2

En laboratoire, la fluoration au fluorure de cobalt (III) est pratique : UF4 + 2CoF3 >UF6 + 2CoF2

Il existe des méthodes de synthèse qui n'utilisent pas de fluor ni d'agents fortement fluorés, mais leurs rendements sont bien inférieurs. Un exemple est la réaction : 2UF4 +O2 >UO2F2 +UF6

UF6 - cristaux incolores (gris) à indice de réfraction élevé. Composé volatil. TV = 56,5 °C ; Fondre=64,5-64,8° (sous pression). La structure cristalline est rhombique. L'UF6 est extrêmement sensible à l'humidité, réagit vigoureusement avec H2O pour former UO2F2 et HF, ainsi qu'avec un grand nombre de substances organiques et de solvants. Il interagit avec la plupart des métaux, ce qui complique ses méthodes de stockage. Les matériaux de cuve appropriés pour travailler avec l'UF6 sont : lorsqu'ils sont chauffés, Ni, Monel et Pt, à froid - également le Téflon, le quartz et le verre absolument secs, le cuivre et l'aluminium. L'UF6 réagit violemment avec l'aluminium pour former une fine couche d'AlF3, qui bloque toute réaction ultérieure. À des températures de 25 à 100 °C, il forme des composés complexes avec les fluorures de métaux alcalins et d'argent tels que 3NaF ?UF6, 3KF ?2UF6.

Riz. 2 Structure cristalline de l'hexafluorure d'uranium.

La structure cristalline de l’hexafluorure d’uranium est constituée d’octaèdres symétriques réguliers. Les méthodes aux rayons X ont montré que la structure cristalline de l’UF6 est un réseau moléculaire typique. Le comportement de l'UF6 est proche de celui d'un gaz parfait.

Les principaux éléments du groupe solides à température ambiante (par exemple les métaux alcalino-terreux, B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, S, Se et Tc) réagissent avec l'UF6 pour former des fluorures. , généralement plus élevé. Les fluorures inférieurs, par exemple PF3, SF4, MoF5 ou WF4, peuvent être fluorés en fluorures supérieurs. Les oxydes inférieurs sont convertis en fluorures d'oxydes.

Lorsque vous travaillez avec de l’UF6, vous devez faire attention au fait qu’il s’agit d’une substance très toxique. L'UF6 réagit vigoureusement avec les hydrocarbures et autres substances organiques, de sorte que les conteneurs fermés contenant de l'UF6 peuvent exploser. Il est nécessaire d'éviter tout contact de l'UF6 avec la peau ou d'autres tissus corporels, car le fluorure d'hydrogène formé à la suite de l'hydrolyse provoque de graves brûlures, aggravées par une exposition supplémentaire à l'uranium. L'UF6 réagit avec l'humidité de l'air pour former un brouillard d'UO2F2 et de HF toxiques. Vous devez donc être particulièrement prudent lorsque vous inhalez des vapeurs d'UF6. Le travail doit toujours être effectué dans des systèmes fermés et des masques dotés de filtres protégeant contre les acides gazeux doivent être tenus à disposition.

UF5 existe sous la forme de deux modifications : b- (haute température) et c- (basse température). La température de transition b>c est de 125°.

Une méthode simple est basée sur l'interaction de l'UCl6 ou de l'UCl5 avec le HF anhydre :

UCl5 (UCl6) + 5HF = UF5 + 5HCl (+1/2 Cl2)

La co-dosage de l'UF4 et de l'UF6 peut être utilisée :

Le b-UF5 est une substance blanc grisâtre. La structure cristalline est tétragonale. Dans le vide au dessus de 500° il se sublime, à 150° il commence à se disproportionner. Fondre = 348° (sous pression UF6).

Le c-UF5 est une substance jaune pâle. La structure cristalline est tétragonale.

Fluorure d'uranium UF4 Le (« sel vert ») est l’un des composés d’uranium les plus importants. Le fluorure d'uranium (IV) est un intermédiaire dans la production d'UF6 et d'uranium métal.

L'UF4 peut être obtenu par réactions :

UO2 + 4HF >UF4 + 2H2O

UO3 + 2CCl2F2 >UF4 +Cl2 +COCl2 +CO2

L'UF4 est une poudre de couleur bleuâtre-verdâtre à émeraude. Sublimation sous vide de 10-6 mm Hg. Art. à 1000° dans un tube de molybdène, on obtient des cristaux vert foncé. Tmel=960°; Point d'ébullition = ~1417°. La structure cristalline est monoclinique. Chimiquement, l’UF4 est un composé stable et plutôt inactif. Il se dissout dans les acides oxydants pour former un sel d'uranyle ; se dissout rapidement dans une solution chaude d'Al(NO3)3 ou d'AlCl3, ainsi que dans une solution d'acide borique acidifiée avec H2SO4, HClO4 ou HCl. Avec les fluorures d'autres métaux, il forme un certain nombre de sels doubles peu solubles (MeUF6, Me2UF6, Me3UF7, etc.).

UF4 + 4NaOH(conc) = U(OH)4 + 4NaF

UF4 + 2M = U + 2MF2 M=(Mg, Ca)

UF4 * 2,5H2O = UF4 * H2O + 1,5 H2O (100°C)

Fluorure d'uranium(III) L'UF3 peut être obtenu par réactions :

UF4 + Al = UF3 + AlF (900°С)

L'UF3 est une masse cristalline noire semblable à du coke dans laquelle de petits cristaux rouge-violet foncé peuvent être observés au microscope. Lorsqu'il est chauffé au-dessus de 1200°, il se disproportionne en UF4 et U. La structure cristalline est hexagonale.

Oxydes d'uranium

De nombreux composés sont connus dans le système U-O ; certains d'entre eux existent sous la forme de plusieurs modifications. Le système uranium-oxygène est l'un des plus complexes non seulement parmi les systèmes d'oxydes d'actinides, mais également parmi tous les systèmes d'oxydes connus. Trois oxydes d'uranium - le dioxyde UO2, l'oxyde U3O8 et le trioxyde UO3 - sont connus depuis plus de cent ans. L'existence de monoxyde d'UO, ainsi que d'U4O9, U3O7 et U2O5, est possible. Les oxydes ne sont pas stœchiométriques et il existe diverses formes non stœchiométriques. Il y a plusieurs phases dans le système U-O.

Densité des phases, g/cm 3

Lors de l'étude du système uranium-oxygène, plusieurs régions homogènes avec des compositions variables en uranium et en oxygène ont été découvertes. Une telle région se situe par exemple entre les compositions UO2 - UO2.25.

L'existence d'une phase stable du monoxyde d'uranium n'est pas prouvée.

Oxyde d'uranium (II)

Le monoxyde d'uranium se présente uniquement sous forme de films minces sur l'uranium ou d'inclusions dans le métal. C'est une substance fragile de couleur grise avec un éclat métallique. Selon diverses sources, sa densité est de 13,6 à 14,2 g/cm 3. Le monoxyde présente un réseau cubique de type NaCl. Selon certains chercheurs, l'UO n'existe pas à l'état libre dans des conditions normales. La principale difficulté pour l’obtenir tient au fait qu’il n’est stable qu’à haute température.

Oxyde d'uranium (VI)

L'oxyde d'uranium (VI) UO3 existe sous la forme de plusieurs modifications dont la production dépend des conditions de réaction : la matière première, la pression totale dans le système, la pression partielle d'oxygène et la température.

U3O8 + Ѕ O2 = 3UO3

Conditions d'obtention de diverses modifications de UO3.

Lorsque UO4E2H2O (lavé), UO3E2H2O, UO2C2O4E3H2O et (NH4)4 sont chauffés à 400° dans un flux d'oxygène, UO3 (A) est obtenu ; Le b-UO3 peut être préparé à partir de UO 4E2H2O non lavé. La décomposition de (NH4)2U7O22 à 500° donne du β-UO3 ; UO2(NO3)3E6H2O à 400-600° - g-UO3, et c-UO3ЕH2O à 375°C (>24 h) - d-UO3. L'oxyde, appelé e-UO3, se forme lorsque U3O8 est chauffé dans un flux de NO2 à 250-375°

Octaoxyde de triuranium

L'oxyde-oxyde U3O8 peut être obtenu par la réaction : 3UO2 +O2 >U3O8

En calcinant UO2, UO2(NO3)2, UO2C2O4E3H2O, UO4E2H2O, (NH4)2U2O7 et d'autres composés à 750°C dans l'air ou dans une atmosphère d'oxygène (p = 150-750 mm Hg), on obtient de l'U3O8 stœchiométriquement pur.

U3O8 est une poudre dont la couleur varie du noir au vert foncé ; lorsqu'il est fortement écrasé, il est de couleur vert olive. De gros cristaux noirs laissent des stries vertes sur la porcelaine.

U3O8 = 3UO2 + O2 (900°С -1500°С)

U3O8 + H2SO4 (conc, hor) = U(SO4)2 + 2UO2SO4 + 4H2O

U3O8 + HNO3 (conc, hor) = U(NO3)4 + 2UO2(NO3)2 + 4H2O

U3O8 + O2 = 6UO3 (500°С -550°С)

Heptaoxyde de triuranium

L'heptaoxyde de triuranium U3O7 est stable jusqu'à 200°C. Il peut être obtenu par oxydation minutieuse d’UO2 finement divisé :

3UO2 + Ѕ O2 = U3O7 (<200°С)

U3O7 - poudre noire. Identifié radiographiquement. Au-dessus de 200°C, il se décompose en UO2. Structures cristallines : b-U3O 7 - tétragonal ; c-U3O7 - tétragonal.

Dioxyde d'uranium

L'oxyde d'uranium (IV) UO2 peut être obtenu en réduisant des oxydes supérieurs avec de l'hydrogène :

U3O8 + 2H2 >3UO2 + 2H2O UO2C2O4 Е3H2O + H2 >UO2 +CO +CO2 + 4H2O

Figure 3. Structure cristalline de UO2 (uranium - boules rouges).

L'UO2 en poudre de composition stœchiométrique est de couleur brune. À mesure que la teneur en oxygène de l’oxyde augmente, la couleur passe du brun foncé au noir. La meilleure façon de déterminer la pureté d’un produit est la radiographie. Fondre=2875°C. Dans les creusets en tantale ou en tungstène sous vide ou dans une atmosphère de gaz protecteur, il peut fondre sans décomposition ; à Tmel, une évaporation notable se produit. Insoluble dans le HCl dilué et concentré, mais soluble dans le HNO3 pour former du nitrate d'uranyle, ainsi que dans le H2SO4 concentré lorsqu'il est chauffé.

UO2 + 2H2SO4(conc) = U(SO4)2 + 2H2O

UO2 + 4HNO3(conc) = UO2(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

UO2 + 3F2 = UF6 + O2 (>500°С)

UO2 + Cl2 = (UO2)Cl2 (500°С)

Fission nucléaire de l'uranium

La fission des noyaux d'uranium a été découverte en 1938 par les scientifiques allemands O. Hahn et F. Strassmann. Ils ont pu établir que lorsque les noyaux d'uranium sont bombardés de neutrons, des éléments de la partie médiane du tableau périodique se forment : baryum, krypton, etc. L'interprétation correcte de ce fait a été donnée par le physicien autrichien L. Meitner et les Anglais physicien O. Frisch. Ils ont expliqué l'apparition de ces éléments par la désintégration de noyaux d'uranium qui capturaient un neutron en deux parties à peu près égales. Ce phénomène est appelé fission nucléaire et les noyaux qui en résultent sont appelés fragments de fission.

Mécanisme de division

Cette réaction de fission peut être expliquée à partir du modèle de gouttelettes du noyau. Dans ce modèle, le noyau est considéré comme une goutte de fluide incompressible chargé électriquement. En plus des forces nucléaires agissant entre tous les nucléons du noyau, les protons subissent une répulsion électrostatique supplémentaire, ce qui les fait se situer à la périphérie du noyau. Dans un état non excité, les forces de répulsion électrostatique sont compensées, le noyau a donc une forme sphérique (Fig. 4, a).

Figure 4. Le mécanisme de fission des noyaux d'uranium.

Après qu'un noyau ait capturé un neutron, un noyau intermédiaire se forme (236 U), qui est dans un état excité. Dans ce cas, l'énergie neutronique est répartie uniformément entre tous les nucléons et le noyau intermédiaire lui-même se déforme et commence à vibrer. Si l'excitation est faible, alors le noyau (Fig. 4, b), se libérant de l'excès d'énergie en émettant g-quantique ou neutron, revient à un état stable. Si l'énergie d'excitation est suffisamment élevée, alors la déformation du noyau lors des oscillations peut être si importante qu'une constriction s'y forme (Fig. 4, c), semblable à la constriction entre deux parties d'une goutte de liquide bifurquante. Les forces nucléaires agissant dans une taille étroite ne peuvent plus résister à l'importante force coulombienne de répulsion de parties du noyau. La taille se brise et le noyau se brise en deux « fragments » (Fig. 1, d), qui s'envolent dans des directions opposées.

Sous l'influence des forces répulsives coulombiennes, ces fragments s'envolent à une vitesse égale à 1/30 de la vitesse de la lumière.

Actuellement, on connaît environ 100 isotopes différents avec des nombres de masse d'environ 90 à 145, résultant de la fission de ce noyau. Deux réactions de fission typiques de ce noyau sont :

Émission de neutrons lors de la fission. Un fait fondamental de la fission nucléaire est l'émission de deux ou trois neutrons pendant le processus de fission. C'est grâce à cela que l'utilisation pratique de l'énergie intranucléaire est devenue possible.

Il est possible de comprendre pourquoi des neutrons libres sont émis en se basant sur les considérations suivantes. On sait que le rapport entre le nombre de neutrons et le nombre de protons dans les noyaux stables augmente avec l'augmentation du numéro atomique. Par conséquent, le nombre relatif de neutrons dans les fragments résultant de la fission est supérieur à celui autorisé pour les noyaux d'atomes situés au milieu du tableau périodique. En conséquence, plusieurs neutrons sont libérés lors du processus de fission. Leur énergie a différentes valeurs - de plusieurs millions d'électrons-volts à de très petites valeurs proches de zéro.

La fission se produit généralement en fragments dont les masses diffèrent d'environ 1,5 fois. Ces fragments sont hautement radioactifs car ils contiennent une quantité excessive de neutrons.

Fission spontanée

Dans certains cas, le noyau peut se fission spontanément, sans interaction avec d’autres particules. Ce processus est appelé fission spontanée.

La probabilité de fission spontanée augmente avec le nombre de protons dans le noyau. Cette probabilité dépend du paramètre :

où Z est le nombre de protons et A est le nombre total de nucléons. À mesure que la valeur de ce paramètre se rapproche de 45, la probabilité de fission spontanée tend vers l'unité, ce qui impose des restrictions sur la possibilité d'existence de noyaux super-lourds.

Pour les noyaux d’éléments comme l’uranium et le thorium, la fission spontanée est un processus très rare ; leurs noyaux se désintègrent beaucoup plus souvent par d'autres canaux de désintégration (la valeur du paramètre Z2/A pour les noyaux d'uranium et de thorium est d'environ 35). Avec une augmentation de l’indice Z2/A, la probabilité de fission nucléaire spontanée augmente rapidement. Pour tous les noyaux existant dans la nature, la probabilité et, par conséquent, le taux de fission spontanée sont très faibles. Ce n'est que pour les plus lourds d'entre eux que les vitesses augmentent suffisamment pour pouvoir être déterminées expérimentalement.

Réaction en chaîne

Réaction en chaîne- une réaction nucléaire dans laquelle les particules provoquant la réaction se forment comme produits de cette réaction.

Lorsqu'un noyau d'uranium 235 se fissifie, provoquée par une collision avec un neutron, 2 ou 3 neutrons sont libérés. Dans des conditions favorables, ces neutrons peuvent frapper d’autres noyaux d’uranium et provoquer leur fission. A ce stade, de 4 à 9 neutrons apparaîtront, capables de provoquer de nouvelles désintégrations de noyaux d'uranium, etc. Un tel processus semblable à une avalanche est appelé réaction en chaîne. Un diagramme du développement d'une réaction en chaîne de fission des noyaux d'uranium est présenté sur la Fig. 5.

Le diagramme de réaction en chaîne discuté ci-dessus représente un cas idéal. En conditions réelles, tous les neutrons produits lors de la fission ne participent pas à la fission des autres noyaux. Certains d'entre eux sont captés par les noyaux non fissiles d'atomes étrangers, d'autres s'envolent hors de l'uranium (fuite de neutrons).

Par conséquent, une réaction en chaîne de fission de noyaux lourds ne se produit pas toujours et pour n'importe quelle masse d'uranium.

Conclusion

L'élément n°92 occupe une place particulière dans la vie moderne. Élément principal de l'énergie nucléaire et matière première pour la production d'un autre élément énergétique principal - le plutonium, il est impliqué dans de nombreuses grandes découvertes du 20e siècle. Uranus a eu un impact sérieux sur de nombreux aspects de notre existence qui sont éloignés de la science, notamment sur la politique internationale.

L'uranium est un métal aux propriétés mystérieuses. Il donne à l’homme la clé qui ouvre l’incroyable énergie de l’atome. La radioactivité naturelle de l’uranium est à l’origine de son utilisation répandue, parfois surprenante, en médecine, agriculture, industrie et biologie.

Bibliographie

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