Топологический анализ структурных комплексов сульфатов уранила

Проведение сравнительного кристаллохимического анализа всех известных соединений сульфатов уранила с неорганическими катионами с выявлением топологических связей между их структурами и составлением общей классификации данных соединений. Применение урана.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Возрастающий интерес к соединениям урана и трансурановых элементов в первую очередь связан с актуальной на сегодняшний день проблемой безопасного захоронения ядерных отходов. В процессах окисления отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) образуются разнообразные минералы шестивалентного урана. Таким образом, происходит иммобилизация радионуклидов (ОЯТ), которые входят непосредственно в структуры этих соединений.

Минеральные виды, содержащие уран в различной форме, очень разнообразны и многочисленны. Кроме того, изучение кристаллохимии минералов и соединений урана, а также особенностей их образования связано с перспективами разработки принципов самоорганизации в актинид-содержащих системах и целенаправленного создания новых материалов с заданными свойствами на основе оксидов урана. Понимание принципов внутреннего строения соединений способствует дальнейшему объяснению различных свойств уранил-содержащих соединений.

уранил кристаллохимический сульфат топологический

1. Исторические сведения

1.1 История открытия

В Богемии (Чехословакия) с давних пор производилась добыча полиметаллических руд. Среди руд и минералов горняки часто обнаруживали черный тяжелый минерал, так называемую смоляную обманку (Pechblende). В XVIII в. полагали, что этот минерал содержит цинк и железо, однако точных данных о его составе не было. Первым исследованием смоляной обманки занялся в 1789 г. немецкий натурфилософ и химик-аналитик Клапрот. В результате многочисленных химических воздействий на минерал он сумел получить оксид урана, который принял за сам металл. В честь самой далёкой из известных тогда планет (открытой Уильямом Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном.

Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. французский химик Эжен Мелькиор Пелиго (англ.) (1811-1890) доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO₂. В 1840 г. Пелиго путем восстановления UCl₄ металлическим калием удалось получить настоящий уран - тяжёлый металл серо-стального цвета, и определить его атомный вес.

Долгое время химики располагали солями урана в очень небольших количествах; их использовали для получения красок и в фотографии. Исследования урана хотя и велись, но мало что прибавляли к тому, что установил Клапрот. Атомный вес урана принимали равным 120 до тех пор, пока в 1874 г. Д.И. Менделеев не предложил удвоить эту величину. Опираясь на разработанную им периодическую систему, он поместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Через 12 лет предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Циммермана.

В 1896 г., исследуя уран, французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл лучи Беккереля, которые позже Мария Кюри переименовала в радиоактивность. Беккерель обнаружил, что двойная соль калий-уранилсульфат оказывает действие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, т.е. испускает какие-то лучи. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения - альфа- и бета-лучи, которые несут различный электрический заряд и далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность.

Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения - гамма-лучи.

В 1938 немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли явление, происходящее с ядром урана при облучении его нейтронами. Захватывая свободный нейтрон, ядро изотопа урана ²³⁵U делится, при этом выделяется (в расчёте на одно ядро урана) достаточно большая энергия, в основном, за счёт кинетической энергии осколков и излучения [1], [2].

Данное открытие явилось истоком как мирного, так и военного использования внутриатомной энергии.

Минералогия урана имеет почти трехвековую историю [3]. Первые описания минералов урана - настурана и торбернита относятся к XVIII веку. Около 20 минералов было обнаружено в XIX веке. Однако наибольшая часть минеральных видов и разновидностей была открыта в XX и начале XXI века, ввиду использования методов рентгеновских исследований, в частности рентгеноструктурного анализа.

1.2 Свойства урана

Уран (лат. Uranium) (U) - химический элемент с атомным номером 92 и атомной массой 238,029 а.е.м. Является радиоактивным химическим элементом III группы периодической таблицы, относится к семейству актинидов. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: ²³⁸U - 99,2739% с периодом полураспада T_Ѕ = 4,51·10⁹ лет, ²³⁵U - 0,7024% (T_Ѕ = 7,13·10⁸ лет) и ²³⁴U - 0,0057% (T_Ѕ = 2,48·10⁵ лет). Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда ²³⁸U. Изотопы урана ²³⁸U и ²³⁵U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов. Конечными элементами этих рядов являются изотопы свинца ²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb. В настоящее время известно 23 искусственных радиоактивных изотопа урана с массовыми числами от 217 до 242. «Долгожителем» среди них является ²³³U с периодом полураспада 1,62•10⁵ лет. Он получается в результате нейтронного облучения тория и способен к делению под воздействием тепловых нейтронов.

Металлический уран - очень тяжелый, он тяжелее железа в два с половиной раза, а свинца - в полтора. Это один из самых тяжелых элементов, которые содержатся в недрах Земли. Своим серебристо-белым цветом и блеском уран напоминает сталь. Чистый металл пластичен, мягок, имеет высокую плотность, но в то же время легко поддается обработке. Уран электроположителен, обладает незначительными парамагнитными свойствами, имеет малую электропроводность, но высокую реакционную способность.

Этот элемент имеет три аллотропные модификации: б, в и г. б-уран имеет ромбическую кристаллическую решетку со следующими параметрами: a = 2,8538 Е, b = 5,8662 Е, с = 4,9557 Е. Эта форма стабильна в температурном диапазоне от комнатных температур до 667,7°C. в-уран кристаллизуется в тетрагональной сингонии. Параметры элементарной ячейки в-модификации: a = 10,759 Е, b = 5,656 Е. г-уран, с объемно-центрированной кубической структурой, стабилен от 774,8° C до точки плавления (1132°C). Все три фазы можно получить в процессе восстановления урана.

Облучение урана потоком нейтронов, взаимодействие с водой, охлаждающей топливные элементы из металлического урана, другие факторы работы в мощных реакторах на тепловых нейтронах - все это приводит к изменениям физико-механических свойства урана: металл становится хрупким, развивается ползучесть, происходит деформация изделий из металлического урана. По этой причине в ядерных реакторах используются урановые сплавы, например с молибденом, такой сплав устойчив к действию воды, упрочняет металл, сохраняя высокотемпературную кубическую решетку [1], [2].

1.3 Применение урана

Современная атомная энергетика основана на соединениях урана и их особых свойствах. Хотя еще не так давно - до пуска первого ядерного реактора - урановые руды добывались в основном для извлечения из них радия. Небольшие количества урановых соединений использовали в некоторых красителях и катализаторах, например, малая добавка урана придаёт жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу. Долгое время уран считался элементом, который не имеет почти никакого промышленного значения, но ситуация кардинально изменилась после открытия способности изотопов урана к делению.

В наше время основная область применения металлического урана, так же как и его соединений - топливо для ядерных реакторов. Так в стационарных реакторах АЭС применяется малообогащенная (природная) смесь изотопов урана, а в силовых ядерных установках и в реакторах на быстрых нейтронах используется уран высокой степени обогащения. 1 тонна обогащенного урана по тепловыделяющей способности равна 1 миллиону 350 тысячам тонн нефти или природного газа.

Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, так как в нем возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция, что не характерно для других изотопов урана. Благодаря именно этому свойству ²³⁵U используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Однако выделение изотопа ²³⁵U из природного урана - сложная и дорогостоящая технологическая проблема.

Самый распространенный в природе изотоп урана ²³⁸U может делиться, если его бомбардируют высокоэнергетическими нейтронами. Такое свойство данного изотопа используют для увеличения мощности термоядерного оружия - используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией. Кроме того, в результате захвата нейтрона с последующим в-распадом из изотопа ²³⁸U получают изотоп плутония ²³⁹Pu, который в свою очередь также может использоваться как ядерное топливо в ядерных реакторах и в атомном вооружении.

В последнее время большое применение находит изотоп урана ²³³U, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233).

Другие искусственные изотопы урана не играют заметной роли.

После того, как из природного урана извлекают «нужные» изотопы ^...