Уран и трансурановые элементы

Уран ₉₂ U

Уран- 92 –ой элемент Периодической системы Менделеева, последний и самый тяжелый из существующих в природе элементов. Этот элемент занимает в современной жизни особое место.

Главный элемент ядерной энергетики и сырье для получения другого главного энергетического элемента- плутония, он причастен ко многим открытиям ХХ века. Уран помог раскрыть тайны атома, стал источником невиданной мощи. Он основа современной «алхимии», превращения элементов и получения новых.

Рис. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы)

Открыл уран немецкий химик Клапрот в 1789 г., выделив из саксонской смоляной руды черное металлоподобное веществ, и назвал его ураном Более пятидесяти лет это вещество считалось металлом и только в 1841 году францезский химик Пелиго доказал, что это окисел урана UO₂. Прошло еще 55 лет и в 1896 году Беккерель обнаружил, благодаря урану, явление радиоактивности. В 1903 году Д. И. Менделеев

Уран довольно широко распространен в природе(содержание урана в земной коре 10^-3% по массе). Основным источником получения урана является урановая смоляная руда и карнотит (K₂(UO₄)(VO₄)₂nH₂O, а в последнее время и более бедные урановые руды. Химические свойства урана изучены методами классической химии

Выделение урана из природных объектов производится путем кислотного или карбонатного выщелачивания его после предварительного обогащения руды. Окончательное извлечение урана осуществляется методами осаждения, экстракции, сорбции и т.д.

Степени окисления урана +3, +4, +5, +7.

Для урана в металлическом состоянии характерно взаимодействие с водородом, азотом и другими элементами.

Соединения урана обладают большой склонностью к комплексообразованию, гидролизу.

Трансурановые элементы (₉₃Np, ₉₄Pu, ₉₅Am)

Основным методом получения Np, Pu, Am является облучение урана, нептуния, плутония медленными нейтронами:

В свободном состоянии нептуний, плутоний, америций – серебристые металлы большой плотности, в порошкообразном состоянии они пирофорны. Все эти металлы сплавляются друг с другом в широком интервале концентраций и проявляют способность образовывать интерметаллические соединения. Для этих элементов в металлическом состоянии характерно взаимодействие с водородом, азотом и другими элементами.

Наиболее сложной проблемой является их отделение от облучаемого элемента и друг от друга. Наиболее распространенными методами получения этих элементов в металлическом состоянии является восстановление их фторидов щелочами или щелочноземельными металлами или электролиз расплавов их солей Решение этой задачи основано на том, что для каждого элемента рассматриваемой группы характерна своя устойчивая степень окисления: для урана +6, для нептуния +5, для плутония +4, для америция +3. Наиболее эффективными являются ионообменные и экстракционные методы. Меньшее значение для целей разделения и выделения этих элементов имеют осадительные методы.

Химия водных растворов этих элементов исследована с использованием микрохимии из-за их высокой массовой активности

Практическое использование элементов рассматриваемой группы определяется их ядерно-физическими характеристиками, а не химическими свойствами. Многие изотопы рассматриваемых элементов способны к делению под действием нейтронов и используются в качестве ядерного топлива. К наиболее важным из них относятся , делящиеся под действием медленных нейтронов. имеет очень большое сечение деления и следовательно, малую критическую массу, что позволяет использовать его в качестве ядерного топлива в небольших реакторах, пригодных для космических исследований. служит источником получения ядерного топлива - .

Кроме того важной областью применения рассматриваемых элементов является изготовление на основе изотопных источников. Эти источники могут быть использованы для получения электрической энергии, теплоты и механической энергии. Изотопные источники на основе использовались в космических летательных аппаратах для термостатирования замкнутых объектов с электронной аппаратурой, для жизнеобеспечения космических орбитальных станций и снабжения их электроэнергией.

используется для создания стимуляторов сердечной деятельности.

Изотоп , испускающий г – кванты с энергией 59,6 кэВ используют в качестве источника возбуждения в рентгенофлюоресцентном анализе.

Наиболее распространенными методами получения этих элементов в металлическом состоянии является восстановление их фторидов щелочами или щелочноземельными металлами или электролиз расплавов их солей.

Степени окисления этих элементов +3, +4, +5, +7.

Для всех четырех элементов в металлическом состоянии характерно взаимодействие с водородом, азотом и другими элементами.

Химия водных растворов этих элементов исследована с использованием микрохимии из-за их высокой массовой активности.

Все эти элементы обладают большой склонностью к комплексообразованию, гидролизу.

Основным источником получения урана является урановая смоляная руда и карнотит (K₂(UO₄)(VO₄)₂nH₂O, а в последнее время и более бедные урановые руды.

Наиболее сложной проблемой является их отделение от облучаемого элемента и друг от друга. Решение этой задачи основано на том, что для каждого элемента рассматриваемой группы характерна своя устойчивая

энергии, теплоты и механической энергии. Изотопные источники на основе использовались в космических летательных аппаратах для термостатирования замкнутых объектов с электронной аппаратурой, для жизнеобеспечения космических орбитальных станций и снабжения их электроэнергией.

используется для создания стимуляторов сердечной деятельности.

Трансамерициевые актиноиды (₉₆Cm, ₉₇Bк, ₉₈Cf, ₉₉Es, ₁₀₀Fm, ₁₀₁Md)

Особенностью изучения химии этих элементов является необходимость использования методов радиохимии. Это обусловлено невозможностью получения большинства указанных элементов в весомых количествах, а также их чрезвычайно высокой массовой активностью.

Все элементы от кюрия до фермия получены в виде металлов.

Для всех рассматриваемых элементов, за исключением 102, основной степенью окисления является +3. Известны также для этих элементов степени окисления +4 и +2. У этих элементов высокая склонность к комплексообразованию. Эти элементы способны образовывать металлоорганические соединения Ме (С₅Н₅)₃.

Получают их бомбардировкой актиноидов тяжелыми ионами.

Для отделения актиноидов друг от друга и от лантаноидов используются процессы экстракции и ионного обмена. Кроме экстракции для целей выделения и разделения рассматриваемых элементов применимы почти все известные варианты хроматографических методов.

Практическое применение тяжелых актинидов так же как и легких, обусловлено их физико-химическими свойствами.

Так изотопы кюрия используются для приготовления изотопных источников тепла. - являются удобным материалом для изготовления источников нейтронов с большой интенсивностью потока.

Изотопы - находят применение для изготовления б – источников.

могут найти применение в качестве ядерного топлива.

Трансактиноидные элементы

Трансактиноидные элементы характеризуются заполнением электронами 6d и 7s – уровней атома. К ним относятся элементы, начиная со 104 и заканчивая 118-м элементом. В соответствии с актиноидной гипотезой последним из 5 f элементов должен быть элемент №103 лоуренсий (5f¹⁴6d¹7s²).Принципиально важным, с этой точки зрения, должно было оказаться открытие элемента №104 и изучение его свойств. Это позволило бы подтвердить или опровергнуть актиноидную гипотезу. Работы по синтезу этих элементов проводятся в основном в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, Россия) и в радиационной лаборатории Лоуренса (г. Беркли, США). Основным методом получения изотопов 104-106-го элементов является облучение актиноидов (Pu, Am, Br, Cm, Cf) ускоренными тяжелыми ионами углерода, кислорода и неона. Элемент № 104 был синтезирован в 1964 году в Дубне группой Г. Н. Флерова, облучением ²⁴²Pu ядрами ²²Ne

Pu + Ne® Rf+ 4 ¹₀n

Первоначально элемент был назван курчатовием, а в последствие резерфордием. В настоящее время получены изотопы резерфордия с массовыми числами 257-261. Их периоды полураспада от 11 мин у резерфордия 258 до 70 с у резерфордия 261. Элемент был идентифицирован чешским ученым Зварой с помощью специальных экспрессных методов анализа. Было показано, что резерфордий резко отличается по своим свойствам от предыдущих элементов. Как было обнаружено в химическом отношении резерфордий ведет себя подобно гафнию и элементам 1У В группы; его электронная конфигурация 5f¹⁴6d²7s². С открытием резерфордия стало ясно, что он, не являясь актиноидом, ведет себя подобно лантаноидам.

Резерфордий и более тяжелые элементы можно назвать трансактиноидами.

Чуть позже были синтезированы элементы с атомными номерами 105-107.

Br( О, 5n) Db Период полураспада 40 с.

Сечения активации этих реакций очень малы и резко уменьшаются с возрастанием атомного номера образующегося составного ядра. Более благоприятным с этой точки зрения является использование в качестве материала мишени ядер свинца и висмута, а качестве бомбардирующих частиц- ионов хрома и более тяжелых элементов. Использование такой комбинации позволило получить элементы с порядковыми номерами 106 и 107:

, Период полураспада 7.10^-3с.

Успехи в синтезе трансурановых элементов и синтез трансактиноидов поставили вопрос впрямую о верхней границе периодической системы.

Синтез нептуния и плутония позволил выделить в проблеме конца системы два аспекта: о естественной границе и о возможном пределе синтеза искусственных элементов. Можно предполагать, что на Земле последним природным элементом является плутоний.

Если рассматривать периодический закон в космическом масштабе то проблема конца системы становится неоднозначной и непосредственно смыкается со вторым аспектом- пределом устойчивости атомных ядер.

Достижения современной ядерной физики и химии позволяют более определенно судить и о возможности синтеза новых искусственных сверхтяжелых элементов. Эта проблема также неоднозначна.

Глава 13. Некоторые вопросы прикладной радиохимии

ПОЛУЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Ядерная энергия может быть получена несколькими путями:

а) при радиоактивном распаде

Ra Rn + ∆ E;

б) при синтезе тяжелых ядер из легких, например

D+T ⁴He + n +∆ E

в) при делении тяжелых ядер

²³⁵U + n 2 осколка + (2 -3) нейтрона + ∆ E

При радиоактивном распаде выделяется сравнительно небольшое количество энергии (менее 100 кэВ/ а.е.м.).

Реакции синтеза и деления имеют цепной характер и могут быть как управляемыми (термоядерные и ядерные реакторы), так и неуправляемыми (термоядерный и ядерный взрыв). Ядерные и термоядерные реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии, измеряемого в МэВ.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Радиоактивные семейства

Таблица 1. Семейство тория

Нуклид	Излучение	Период полураспада	Энергия излучения, МэВ
(А = 4n) Th Ra Ac Th Ra Rn Po [ At(в)0,01%; Pb(б) 99,99%] Bi [ Po(в)66,3%; Tl (б) 33,7%] Pb	б в в б б б в, б б в б, в б в -	1.41М10¹⁰ лет 6.7 лет 6.13 ч 1.91 лет 3.64 дня 51.5 c 0.15 c 3М10^-4c 10.64 ч 60.6 3.7М10^-7c 3.1 мин ∞	4.01 0.05 2.11 5.43 5.68 6.29 6.78 7.8 0.58 6.09 8.78 1.80 -

Семейство урано- радиевое

Нуклид	Излучение	Период полураспада	Энергия излучения, МэВ
(А = 4n+ 2) U Th Pa U Th Ra Rn Po [ At(в)0,03%; Pb(б)99,97%] Bi [ Po(в)99,96%; Tl (б)0,04%] Pb Bi Po Pb	б в в б б б б в, б б в б в б в в в б -	4.5М10⁹ лет 24.1 дня 1.17 мин 2.47 М10⁵ лет 8.0 М10⁵ лет 1.602 М10³ лет 3.82 дня 3.05 мин 2 c 26.8 мин 19.7 мин 1,64М10^-4c 1,3 мин 21 лет 5.0 дня 138.4 дня ∞	4.2 0.19 2.29 4.77 4.68 4.78 5.49 6.0 6.7 1.03 5.51 3.26 7.69 2.3 3.06 1.16 5.31 -

Семейство актино- ториевое

Нуклид	Излучение	Период полураспада	Энергия излучения, МэВ
(А = 4n+ 3) U Th Pa U Th Ra Rn Po [ At(в)0,03%; Pb(б)99,97%] Bi [ Po(в)99,96%; Tl (б)0,04%] Pb Bi Po Pb	б в в б б б б в, б б в б в б в в в б -	4.5М10⁹ лет 24.1 дня 1.17 мин 2.47 М10⁵ лет 8.0 М10⁵ лет 1.602 М10³ лет 3.82 дня 3.05 мин 2 c 26.8 мин 19.7 мин 1,64М10^-4c 1,3 мин 21 лет 5.0 дня 138.4 дня ∞	4.2 0.19 2.29 4.77 4.68 4.78 5.49 6.0 6.7 1.03 5.51 3.26 7.69 2.3 3.06 1.16 5.31 -