Химия элементов уранового ряда

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

Государственное

образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

 «ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГАГУ) 
 
 

Биолого-химический факультет

Кафедра неорганической и аналитической  химии 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

Тема: ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ УРАНОВОГО РЯДА 
 
 

                                                                                                       
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Работу  выполнил:

Студент 1 курса

139  группы                                           Культяков И.В. 

Проверила научный руководитель

к.б.н., доцент Кайзер М.И.

Работа  защишена «              »

с оценкой_________  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Горно-Алтайск 2010

 

    СОДЕРЖАНИЕ

 

     ВВЕДЕНИЕ

    Актуальность. Элементы уранового ряда нужно изучать из-за трудно доступности и сложности добычи многих элементов уранового ряда. Если мы сможем научиться ускорять распад урана, то можно получать очень редкий протактиний. Да и потом уран, и некоторые элементы ряда являются очень продуктивными источниками энергии, поэтому в процессе изучения урана и его ряда позволит увеличить продуктивность и обезопасить его использование. Также увеличить спектр возможностей применения урана и его ряда в медицине и технике.

    Цель  работы: Подготовить литературный обзор по изучению химии элементов уранового ряда.

       Задачи исследования:

    1.    Изучить физико-химические свойства элементов уранового ряда.

    2. Проанализировать формы и количества нахождения элементов уранового ряда в природе.

    3. Выявить способы определения и области применения элементов уранового ряда.

 

     1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 
ЭЛЕМЕНТОВ УРАНОВОГО РЯДА

    1.1 Уран

    Уран  (лат.Uranium) U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 92, атомная масса 238,0289; относится к актиноидам. Стабильных изотопов не имеет. Известно 16 изотопов с массовыми числами 226-240, 242; наиб. Долгоживущие изотопы ²³⁴U (Т_1/2 = 2,45·10⁵  лет, α-излучатель), ²³⁵U (T_1/2 = 7,04·10⁸ лет, α-излучатель) – родоначальник радиоактивного ряда (4n + 3) и ²³⁸U (Т_1/2 = 4,47·10⁹ лет, α-излучатель) – родоначальник радиоактивного ряда (4n + 2). Природная смесь содержит 99,275% ²³⁸U, 0,720% ²³⁵U, 0,005% ²³⁴U.

    Конфигурация  внешних электронных оболочек атома 5f³6s²6p⁶6d¹7s²; степени окисления +2, +3, +4, +5, +6; электроотрицательность по Полингу 1,22; атомный радиус 0,156 нм, ионные радиусы U³⁺ - 0,1024 нм, U⁴⁺ 0,089 нм, U⁵⁺ 0,088 нм и U⁶⁺ 0,083 нм.

    Среднее содержание U в земной коре 3∙10^-4% по массе. В слое литосферы толщиной 20 км содержится ~ 10¹⁴ т, в морской воде 10⁹-10¹⁰ т. Важнейшие минералы: настуран U₃O_8, уранинит (U, Th)O₂, урановая смоляная руда (оксиды UO_2,0-UO_2,67), карнотит K₂[(UO₂)₂(VO₄)₂]·3H₂O, тюямунит Ca[(UO₂)₂(VO₄)₂]·8H₂O.

    Промышленное значение имеют также титанаты, например браннерит UTi₂O₆, силикаты – коффинит U[SiO₄]_1-x(OH)_4x, танталониобаты и гидритированные фосфаты и арсенаты уранила – урановые слюдки. Крупные месторождения урана находятся в Канаде, ЮАР, США, Австралии, Франции.

    Уран – серебристо-белый блестящий металл. Ниже 669 ⁰C устойчива α -форма с ромбической решеткой; в интервале 669-776 ⁰C устойчива β-форма с тетрагональной решеткой; выше 776 ⁰C существует γ- форма с объемноцентрированной кубической решеткой. ∆Н перехода α → β составляет 2,78 кДж/моль, β→γ – 4,73 кДж/моль. Температура плавления – 1135 С, температура окисления – 4200.

    При облучении нейтронами урановых блоков изменяются их размеры и форма, ухудшаются механические свойства в связи с накоплением продуктов деления урана. Уран слабо парамагнитен.

    Уран  очень реакционноспособен, взаимодействует с большинством простых веществ, на воздухе покрывается черной пленкой оксидов урана, порошкообразный уран пирофорен. Реагирует с водой, быстро растворяется в соляной и азотной кислотах, медленно – в H₂SO₄, H₃PO₄, фтористоводородной кислоте, образуя соли уранила UO²⁺_2.

    В водных растворах уран может существовать в степенях окисления от +3 до +6.

    Ион U³⁺ неустойчив, разлагает воду с образованием водорода и U⁴⁺, образуется из U⁴⁺ под действием сильных восстановителей (например, порошка Zn) или при электрохимическом восстановлении.

    U⁴⁺ устойчив в отсутствии воздуха, медленно окисляется воздухом до UO²⁺₂, гидролизуется, образуется в растворах UO²⁺₂ под действием восстановителей средней силы (например, Na₂S₂O₆, Pb) или электрохимически.

    UO⁺₂ неустойчив, быстро диспропорционирует на U⁴⁺ и UO₂²⁺, наиболее устойчив при рН 2-4, образуется при восстановлении UO₂⁺ амальгамой Zn, H₂ или электрохимически. UO₂²⁺ наиболее устойчивое состояние.

    Уран  в растворах гидролизуется при рН > 3. Ионы урана в растворах имеют характерную окраску: U³⁺ - красную, U⁴⁺ -зеленую, UO₂²⁺ - желтую. Склонность к гидролизу и комплексообразованию уменьшается в ряду U⁴⁺ > UO₂²⁺ > U³⁺ > UO₂⁺. Плохо растворимые в воде соли урана –фосфат, ванадат, сульфид и др., а также диуранаты щелочных металлов (соли диурановой кислоты H₂U₂O₇) используются для выделения UO₂²⁺ из растворов; иодат, фторид, оксалат, фениларсонат – для выделения из растворов U⁴⁺.

    При нагревании урана в атмосфере водорода при 250-350 ⁰C образуется тригидрид UH₃, который растворяется в воде, азотной и концентрированной соляной и серной кислотах, не растворяется в растворах щелочей и аммиака; пирофорен: взрывается в смеси с CCl_4..

    Уран  образует простые галогениды UHaI_n (n = 3, 4, 5, 6), оксигалогениды UOHaI_n (n = 1, 2, 3) и уранилгалогениды UO₂HaI_n (n = 1, 2), а также комплексные и смешанные галогениды.

    Бориды: UB₂, UB₄, UB₁₂ не растворимы в воде. UB₂ разлагается концентрированной азотной кислотой HNO₃, фтористоводородной кислотой, H₂O₂.

    Силициды: U₃Si, U₃Si₂, USi, U₃Si₅, USi₂, USi₃. Соединения U₃Si₂ и USi₂ не растворимы в воде и неорганических кислотах. U₃Si₂ перспективен как компонент твэлов; USi₂, обогащенный ²³⁵U – перспективное ядерное топливо.

    Сульфиды: U₂S₃, U₃S₅, US₂, US₃, US. Сульфиды US и US₂ не растворимы в воде, разлагаются неорганическими кислотами, US в атмосфере кислорода воспламеняется при 375 ⁰C: получают взаимодействием U c S или H₂S последующей гомогенизацией при 1800 ⁰C.

    Фосфиды: UP, U₃P₄, UP₂. Фосфид UP устойчив к окислению и гидролизу; не растворимы в воде, разбавленной соляной кислоте, разлагается кипящей HNO₃, царской водкой; получают из простых веществ при 500-600 ⁰C с последующей гомогенизацией при 1000 ⁰C. UP, обогащенный ²³⁵U – перспективное ядерное топливо.

    Известны  соединения урана с Ge, Sn, Pb, Те и др[12,8,10,1].

    1.2 Торий

    Торий – серебристо-белый пластичный металл. Известен в двух полиморфных модификациях: ниже 1360°С устойчива α-форма с гранецентрированной кубической решеткой; в интервале 1360-1750 °С устойчива β- форма с объемноцентрированной кубической решеткой

    Образует сплавы со многими металлами.

    Торий весьма реакционноспособен; порошкообразный – пирофорен, тускнеет на воздухе, в кипящей воде покрывается пленкой ThO₂. Быстро растворяется в 6 М соляной кислоте, медленно – в разбавленной HF, HNO₃, H₂SO₄ и концентрированной H₂SO₄, пассивируется концентрированной HNO₃, не реагирует со щелочами.

    При нагревании тория в атмосфере водорода при 400-600 °С образуется гидрид ThH₂ – темно-серые кристаллы, разлагается водой, при действии растворов кислот выделяет Н₂, при 900 °С в вакууме разлагается с образованием тонкодисперсного тория. При нагревании тория с водородом при 250-320 °С получают Th.Hi5 – кристаллы с кубической решеткой