Početna za: URANIJ, U  

SPOJEVI, DOBIVANJE I UPORABA

Dobivanje uranija:

Uranij se može dobiti redukcijom nekog od uranijevih halogenida pomoću alkalnih metala, redukcijom oksida pomoću kalcija, aluminija ili ugljika pri visokoj temperaturi, elektrolizom UF4 ili KUF5 te u rastaljenoj smjesi klorida CaCl i NaCl. Prvi korak u procesu proizvodnje je koncentriranje uranijeve rude do relativno visokog sadržaja uranija.

Način koncentriranja uranijevih spojeva ovisi o rudi. Proces uključuje flotaciju, tretiranje kiselinama u oksidacijskoj atmosferi, ionsku izmjenu ili izdvajanje otapalima. Iz uranijevog smolinca dobiva se da se uranijevom smolincu doda natrijev karbonat i nitrat (Na2CO3 i NaNO3) i ta se smjesa tali. Iz ohlađene mase uranij se ekstrahira s razrijeđenom H2SO4 kao topljivi uranijev sulfat UO2SO4, a zatim se dodavanjem amonijevog karbonata istaloži amonijev uranijev karbonat koji žarenjem daje čisti oksid U(UO4)2. Redukcijom s vodikom sav uranij postane četverovalentan (UO2). Daljnji postupak ovisi o izboru reducensa (vidi gore).

Vrlo čisti uranij može se dobiti termalnom razgradnjom UF4 na užarenoj žici. UF4 se može dobiti i zagrijavanjem UO2 u struji fluorovodika.


Svojstva i upotreba uranija:


Elementarni uranij metal je srebrno-bijele boje, vrlo tvrd, ali se dade kovati. Javlja se u tri alotropske modifikacije:

alfa uranij -> 688°C -> beta uranij -> 774°C -> gama uranij

alfa-uranij ima ortorompsku kristalnu strukturu i pokazuje neka nemetalna svojstva. beta-uranij ima tetragonsku strukturu i dosta je krhak. gama-uranij ima jednostavnu kubičnu strukturu. Površina metala uranija može se ispolirati do visokog sjaja koji se gubi stajanjem na zraku. Praškasti uranij je prilično reaktivan: reagira s vodom tako da se sporo otapa u hladnoj vodi, a pri 100°C vrlo brzo. Lako se otapa u kiselinama, osim u dušičnoj, pri čemu se oksidira. Lužine na njega ne djeluju. Zagrijavanjem na zraku pri temperaturi 170°C izgara dajući oksid, U3O8. S dušikom se spaja tek pri 1000°C dajući nitrid.

Uranij nema stabilnih izotopa, a pet izotopa ima vrlo dugo vrijeme poluraspada. Do danas je registrirano osamnaest izotopa. No, prirodni uranij postoji kao smjesa od samo tri dugoživuća izotopa: 234U (0,0055%), 235U (0,720%, ali može varirati do 0,1%) i 238U (99,274%). Vremena poluraspada ovih izotopa su slijedom: 2,45 x 10^5 godina, 7,04 x 10^8 godina i 4,46 x 10^9g. Ostala dva dugoživuća izotopa 233U i 236U nisu registrirani u prirodnom sastavu uranija. Izotop 238U je polazni ("roditelj") izotop (4n + 2) prirodnog raspadnog niza uranija, a izotop 235U je "roditelj" aktinijevog (4n + 3) raspadnog niza. Zbog primjene u nuklearnoj tehnologiji izotop 235U posebno je značajan. Cijepanje jezgri uranija uzrokovano je uhvatom sporog, termalnog neutrona. Kod fisije se osim fragmenata jezgre, alfa, beta i gama-zračenja i oslobođene energije, oslobađaju novi termalni neutroni potrebni za daljnji tijek fisije. Međutim, samo izotopi 235U, 239Pu i 233U mogu efikasno apsorbirati neutrone koji će uzrokovati cijepanje jezgre. Stoga je za nuklearno gorivo prirodni uranij potrebno obogatiti izotopom 235U na nešto višu koncentraciju koja bi omogućila efikasniju lančanu nuklearnu reakciju. Obogaćivanje uranija dosta je složen proces zbog čega je nuklearno gorivo skupo. Jedan od načina je plinskom difuzijom UF6 kroz cijevi s membranama. Kod drugih metoda ide se na proizvodnju efikasnog izotopa 239pU što se provodi u tzv. oplodnim reaktorima izlaganjem izotopa 238U (običnog, neobogaćenog uranija) neutronskom toku kojim se proizvodi izotop 239U koji pak beta-raspadom prelazi u izotop 239Pu: 

238U (n-gama) 239U -> beta -> 239Np ->beta -> 233Pu

Također se može proizvesti izotop 233U iz 232Th koji se stvara izlaganjem 238U toku neutrona i dvostrukim beta-raspadom pretvara se u traženi izotop 233U:

232Th (n-gama) 233Th -> beta -> 233Pa -> beta -> 233U

Primjena uranija kao nuklearnog goriva, prvenstveno u nuklearnim elektranama, ali i za nuklearno oružje, dobro je poznata. U svim nuklearnim elektranama teče kontrolirana reakcija u kojoj se štapovima za apsorpciju, raspoređenih između gorivih štapova, kotrolira neutronski tok, a time i brzina reakcije. Kod fisije jezgara oslobođeni neutroni su brzi pa se usporavaju tzv. moderatorima kako bi se što efikasnije apsorbirali u drugim jezgrama (brzi se neutroni slabo apsorbiraju). Moderator je određen tipom reaktora, a koriste se: grafit, obična voda ili teška voda D2O.

Pored navedene glavne primjene uranij ima još niz specifičnih primjena kao što su žiro - kompasi, materijal za oklope i štitove i kao antikatoda za dobivanje visokoenergetskog rengenskog zračenja. Uranij se dodaje i čelicima radi povećanja elastičnosti i čvrstoće na vlak. Njegovi spojevi, osobito oksidi i natrijevi uranati, koriste se kao pigmentne boje u industriji stakla i keramičkoj industriji. Uranijev nitrat koristi se kao fotografski toner itd.


Spojevi uranija:

Spojevi uranija oksidacijskog broja +4 prilično su stabilni i imaju pretežito ionski karakter, a najstabilniji su i najvažniji spojevi u kojima je šesterovalentan. Uranij(III) spojevi brzo se oksidiraju u zraku ili vodi. U kompleksima uranij ima uglavnom visoke koordinacijske brojeve.

Važniji spojevi uranija:

-Uranijevi halogenidi. U oksidacijskom stanju +6 uranij stvara heksafluorid (UF6) i heksaklorid UCl6 koji u prisutnosti vode vrlo brzo hidroliziraju u UOX4 i UO2X2 (X je F, odnosno Cl). Heksafluorid (UF6) javlja se u obliku bezbojnih monoklinskih kristala, jako hlapljivih, koji sublimiraju pri 56°C. Upotrebljava se za obogaćivanje uranija izotopom 235U procesom difuzije plinovitog heksafluorida (UF6). U stanju +5 postoje pentahalogenidi UF5, UCl5 i UBr5, a u stanju +4 tvori sve halogenide. Tetrafluorid UF4 je zelen kristal netopljiv u vodi, tetraklorid UCl4 sublimira, tetrabromid (UBr4) dolazi u obliku smeđih lističastih kristala, dok tetrajodid (UI4) dolazi u crnim igličastim kristalima. U oksidacijskom stanju +3 tvori trihalogenide (UF3, UCl3, UBr3 i UI3) koji su (osim UF3) topljivi u vodi i daju ione U^3+ koji se lako oksidiraju u U^4+.

-Uranijevi oksidi. Uranij tvori brojne okside: UO, UO2, U3O8, U4O9 i UO3. Na zraku je stabilan U3O9. Uranijev(IV)-oksid (UO2) ima smeđe kristale teško topljive u kiselinama, osim u dušičnoj. Vodene otopine su isključivo lužnate. Žarenjem na zraku daje zeleni U3O9. Uranijev(VI)-oksid (UO3) ima crveno-žute heksagonske kristale. Amfoterman je. Otapanjem u kiselinama nastaje žut uranilion, UOˇ2^2+ koji daje uranil-soli i brojne kompleksne spojeve. Otapanjem u lužinama nasataje uranat-ion UOˇ4^2+.

-Uranijevi karbidi (UC i UC2) mogu se dobiti direktnom reakcijom ugljika s rastaljenim uranijem.

 Početna za: URANIJ, U