Los óxidos de uranio (VI) o "torta amarilla" es un paso intermedio en el procesamiento de minerales de uranio. (cortesía de www.chemcases.com )
Uranio
Número atómico: 92
Radio atómico: 240 pm (Van der Waals)
Símbolo atómico: U
Símbolo atómico: U
Punto de fusión: 1133 ° C
Peso atómico: 238
Peso atómico: 238
Punto de ebullición: 4131 ° C
Configuración electrónica: [Rn] 7s 2 5f 3 6d 1 Estados de oxidación: 6, 5, 4, 3, [2] 2, 1
Informacion desarrollada y actualizada por el Dr. David Hobart, 23 de julio de 2013
Configuración electrónica: [Rn] 7s 2 5f 3 6d 1 Estados de oxidación: 6, 5, 4, 3, [2] 2, 1
Historia
El uso de uranio en su forma de óxido natural se remonta al año 79 DC cuando se usaba como agente colorante amarillo en esmaltes cerámicos. Se encontró vidrio amarillo con 1% de óxido de uranio en una antigua villa romana cerca de Nápoles, Italia. A finales de la Edad Media, el pitchblende se extraía de las minas de plata y se usaba como agente colorante en la industria de fabricación de vidrio. La identificación del uranio como elemento generalmente se atribuye a Martin H. Klaproth. Mientras experimentaba con pitchblende en 1789, llegó a la conclusión de que contenía un nuevo elemento, que llamó así por el recién descubierto planeta Urano (llamado así por el dios griego del cielo o el cielo). Lo que Klaproth realmente identificó no era el elemento puro sino el óxido de uranio. El metal puro fue aislado por primera vez en 1841 por Eugène-Melchior Péligot, quien redujo el tetracloruro de uranio anhidro con metal potásico.
En 1896, Antoine H. Becquerel descubrió que el uranio exhibía luz o rayos invisibles; fue la radiactividad. En 1934, la investigación de Enrico Fermi y otros eventualmente condujo al uso de fisión de uranio en el primer arma nuclear utilizada en la guerra y más tarde en el uso pacífico del uranio como combustible en la producción de energía nuclear. Una carrera armamentista posterior durante la Guerra Fría entre los Estados Unidos y la Unión Soviética produjo decenas de miles de armas nucleares que utilizaron uranio metálico y plutonio derivado de uranio-239. La seguridad de esas armas y su material fisible después de la desintegración de la Unión Soviética en 1991 es una preocupación constante.
En 1972, el físico francés Francis Perrin descubrió reactores de fisión nuclear naturales prehistóricos antiguos y ya no activos en depósitos de mineral de uranio en la mina Oklo en Gabón, África occidental, conocidos colectivamente como los Reactores Fósiles Oklo. El depósito de mineral tiene 1.700 millones de años. En ese momento, el uranio-235 constituía aproximadamente el 3% del uranio total en la Tierra (0,72% en la actualidad). Esto es lo suficientemente alto como para permitir que ocurra una reacción sostenida en cadena de fisión nuclear, siempre que existan otras condiciones geológicas de apoyo.
Isótopos
El uranio es débilmente radiactivo porque todos los isótopos de uranio ( 238 U, 235 U y 234 U) que ocurren naturalmente ( o primordiales ) son inestables, con vidas medias que varían entre 159.200 años y 4.500 millones de años. Hay 27 isótopos conocidos de uranio que varían en pesos atómicos 217–219, 222–240 y 242, con vidas medias de miles de millones de años a unos pocos nanosegundos. El uranio natural se compone de tres isótopos principales: 238 U (99.28% de abundancia), 235 U (0.71%) y 234 U (0.0054%). (El DOE de EE. UU. Ha adoptado el valor de 0.711 como su porcentaje oficial de 235U en uranio natural.) Los tres isótopos son radiactivos, con pocas probabilidades de sufrir una fisión espontánea, pero preferentemente se descomponen por emisión alfa. La vida media del uranio-238 es de aproximadamente 4,47 mil millones de años y la del uranio-235 es de 704 millones de años, lo que los hace útiles para fechar la edad de la Tierra. También sugiere que la mitad del uranio que existió desde la formación de la Tierra se ha descompuesto a otros elementos radiactivos y, finalmente, a elementos estables. Se cree que gran parte del calor interno de la tierra es atribuible a la descomposición de los radioisótopos de uranio y torio.
El uranio-238 es un emisor de partículas α (ocasionalmente, se somete a fisión espontánea), que se descompone a través de la "Serie de uranio" de la desintegración nuclear , que tiene 18 miembros, todos los cuales eventualmente se descomponen en plomo-206 , por una variedad de diferentes desintegraciones caminos. La serie de descomposición de 235 U , que se llama la serie de actinio, tiene 15 miembros, que eventualmente se descomponen en plomo-207. Las tasas constantes de desintegración en estas series de desintegración hacen que la comparación de las proporciones de elementos primarios y secundarios sea útil en la datación radiométrica . Uranium-234 es miembro de la "Serie Uranium", y se descompone en plomo 206 a través de una serie de isótopos de vida relativamente corta. El uranio-233 está hecho de torio-232 por bombardeo de neutrones, generalmente en un reactor nuclear, y el 233U también es fisionable. Su serie de descomposición termina con talio-205.
Fuentes
El uranio es el elemento natural más pesado disponible en grandes cantidades. Los elementos "transuránicos" más pesados están hechos por el hombre o existen solo como trazas en depósitos de mineral de uranio como productos de activación. El uranio se produce naturalmente en bajas concentraciones de unas pocas partes por millón en el suelo, las rocas y el agua, y se extrae comercialmente de minerales que contienen uranio. El uranio, no tan raro como se pensaba, ahora se considera más abundante que el mercurio , el antimonio , la plata o el cadmio , y es tan abundante como el molibdeno o el arsénico.. Ocurre en numerosos minerales naturales como pitchblende, uraninita, carnotita, autunita, uranofano y tobernita. También se encuentra en rocas de fosfato, lignito, arenas de monazita, y se recupera comercialmente de estas fuentes. El Departamento de Energía de los Estados Unidos compra uranio en forma de concentrados aceptables de U 3 O 8 . Este programa de incentivos ha aumentado considerablemente las reservas de uranio conocidas.
Propiedades
El uranio puro es un metal blanco plateado, débilmente radiactivo, que es más duro que la mayoría de los elementos. Es maleable, dúctil, ligeramente paramagnético, fuertemente electropositivo y es un mal conductor eléctrico. El uranio metálico tiene una densidad muy alta, siendo aproximadamente un 70% más denso que el plomo, pero un poco menos denso que el oro. El uranio metálico se exhibe en tres modificaciones cristalográficas: alfa -> (688 ° C) -> beta -> (776 ° C) -> gamma. El uranio es pirofórico cuando está finamente dividido. Es un poco más blando que el acero y es atacado por agua fría en un estado finamente dividido. En el aire, el uranio metálico se recubre con una capa de óxido. Los ácidos disuelven el metal, formando el estado de oxidación +3 que se oxida rápidamente por el agua y el aire para formar estados de oxidación más altos. El uranio metálico no se ve afectado por los álcalis. El uranio metálico puede prepararse reduciendo los haluros de uranio con metales alcalinos o alcalinotérreos o reduciendo los óxidos de uranio por calcio, aluminio o carbono a altas temperaturas. El metal también puede ser producido por electrólisis de KUF5 o UF 4 , disuelto en una mezcla de sal fundida de CaCl 2 y NaCl. El uranio de alta pureza puede prepararse mediante la descomposición térmica de haluros de uranio en un filamento caliente.
El uranio metálico reacciona con casi todos los elementos no metálicos y sus compuestos , y la reactividad aumenta con la temperatura. Los ácidos clorhídrico y nítrico disuelven el uranio, pero los ácidos no oxidantes distintos del ácido clorhídrico atacan el elemento muy lentamente. Cuando se divide finamente, puede reaccionar con agua fría. En el aire, el uranio metálico se oxida y se recubre con una capa oscura de óxido de uranio . El uranio forma una variedad de aleaciones y compuestos cuyos estados de oxidación más importantes son uranio (IV) y uranio (VI), y sus dos óxidos correspondientes son, respectivamente, dióxido de uranio , UO 2 y trióxido de uranio , UO 3. Además de los óxidos, otros compuestos de uranio importantes incluyen fluoruros, cloruros, bromuros, yoduros, carbonatos, hidruros, carburos, nitruros, fosfatos, etc. A temperatura ambiente, el hexafluoruro de uranio, UF 6 , tiene una alta presión de vapor , lo que lo hace útil en el proceso de difusión gaseosa utilizado para separar el raro U-235 del isótopo común U-238. Los hidruros de uranio, nitruros y carburos son compuestos semimetálicos relativamente inertes que son mínimamente solubles en ácidos y se han utilizado como pastillas de combustible estables en la tecnología de reactores de energía nuclear.
El uranio existe en soluciones acuosas en los estados de oxidación +3, +4, +5 y +6. El estado de oxidación +6 como el ion UO 2 2+ (color amarillo) es el estado más estable en solución. El uranio en el estado +5 como el ion UO 2+ es incoloro, bastante inestable y desproporcionado (reacciona consigo mismo) para formar los estados +6 y +4. El estado +4 (verde) es razonablemente estable en solución, pero el estado +3 (verde oscuro o rojo oscuro dependiendo de la fuente de iluminación - luz diurna versus luz fluorescente) es inestable y se oxida fácilmente a +4. El estado +4 en soluciones de pH casi neutro se hidroliza fácilmente para formar precipitados negros de oxihidróxido.
Usos
El uranio se usó como agente colorante en esmaltes cerámicos y vidrio en la antigua Roma y en la Edad Media, produciendo tonos rojo anaranjado a amarillo limón. Más recientemente se usó como un glaseado de naranja en la vajilla contemporánea Fiestaware ©, pero luego se suspendió por razones de salud. Muchos usos contemporáneos del uranio explotan sus propiedades nucleares únicas. El uranio-235 tiene la distinción de ser el único isótopo fisionable natural . Esto significa que puede dividirse en dos o tres fragmentos ( productos de fisión ) por neutrones térmicos. El uranio-238 es fisionable por neutrones rápidos, y es fértil, lo que significa que se puede transmutar a plutonio fisionable -239en un reactor nuclear . Otro isótopo fisionable, el uranio 233 , se puede producir a partir del torio natural y también es importante en la tecnología nuclear. Mientras que el uranio-238 tiene una pequeña probabilidad de fisión espontánea o incluso de fisión inducida con neutrones rápidos, el uranio-235 y, en menor grado, el uranio-233 tienen una sección transversal de fisión mucho mayor para los neutrones lentos. En concentración suficiente, estos isótopos mantienen una reacción en cadena nuclear sostenida . Esto genera calor en los reactores de energía nuclear y produce el material fisionable para las armas nucleares.. Esta conversión nuclear puede producirse en reactores reproductores donde es posible producir más material fisionable nuevo que el material fisionable utilizado para mantener la reacción en cadena. El uranio empobrecido ( 238 U) (empobrecido en uranio-235) se usa en la penetración de armaduras balísticas y como blindaje .
El uranio-238 no es fisionable, pero es un isótopo fértil, porque después de la activación de neutrones puede producir plutonio-239 , otro isótopo fisionable. De hecho, el núcleo 238 U puede absorber un neutrón para producir el isótopo radiactivo uranio-239 . El 239 U se descompone por emisión beta en neptunio-239, también un emisor beta, que se descompone a su vez, en pocos días, en plutonio-239. Se usó 239 Pu como material fisionable en la primera bomba atómica detonada en la " Prueba de la Trinidad " el 15 de julio de 1945 en Nuevo México .
El uranio-235 es aún más importante porque es la clave para utilizar uranio. 235 U, mientras se produce en uranio natural en la medida de solo 0.71%, es tan fisionable con neutrones lentos que se puede hacer una reacción en cadena de fisión autosuficiente en un reactor construido con uranio natural y un moderador adecuado, como agua pesada o grafito, solo.
El uranio-235 puede concentrarse por difusión gaseosa y otros procesos físicos, si se desea, y usarse directamente como combustible nuclear, en lugar de uranio natural, o usarse como explosivo.
El uranio natural, ligeramente enriquecido con 235 U en un pequeño porcentaje, se utiliza para alimentar reactores de energía nuclear para generar electricidad. El torio natural puede irradiarse con neutrones para producir el importante isótopo 233 U de la siguiente manera: 232 Th ( n , gamma) -> 233 Th (beta) -> 233 Pa (beta) -> 233 U. Mientras que el torio mismo es no fisionable, 233 U sí, y de esta manera puede usarse como combustible nuclear. Una libra de uranio completamente fisionado tiene el valor de combustible de más de 1500 toneladas de carbón.
Los usos de los combustibles nucleares para generar energía eléctrica, para hacer isótopos con fines pacíficos y para hacer explosivos son bien conocidos. El uranio en los EE. UU. Está controlado por la Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU. Se están encontrando nuevos usos para el uranio empobrecido, es decir, uranio con un porcentaje de 235U bajó a aproximadamente 0.2%. El uranio se usa en dispositivos de guía inercial, en giroscopios, como contrapesos para superficies de control de aeronaves, como lastre para vehículos de reentrada de misiles y como material de protección. El uranio metálico se utiliza para objetivos de rayos X para la producción de rayos X de alta energía; el nitrato se usó una vez como tóner fotográfico, y el acetato se usó una vez en química analítica. Los cristales de nitrato de uranio son triboluminiscentes. Las sales de uranio también se han utilizado para producir vidrios y esmaltes amarillos de "vaselina".
Peligros
El uranio y sus compuestos son altamente tóxicos, tanto desde el punto de vista químico como radiológico. El uranio metálico finamente dividido, al ser pirofórico, presenta un peligro de incendio. En la naturaleza, U (VI) forma complejos de carbonato altamente solubles a pH alcalino. Esto conduce a un aumento de la movilidad y la disponibilidad de uranio para las aguas subterráneas y el suelo de los depósitos de residuos nucleares, lo que conlleva riesgos para la salud. Trabajar con uranio requiere el conocimiento de las concentraciones máximas permitidas que pueden inhalarse o ingerirse. Recientemente, la presencia natural de uranio en muchos suelos ha sido motivo de preocupación para los propietarios debido a la generación de gas radón radiactivo y sus hijas, particularmente en espacios confinados con baja circulación, como los sótanos.
Informacion desarrollada y actualizada por el Dr. David Hobart, 23 de julio de 2013
Traducido y Extraído de: https://periodic.lanl.gov/92.shtml
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