Мировые запасы
Подтверждённые мировые запасы диоксида титана составляют:
- Китай – 232,9 млн. тонн.
- Украина – 184 млн. тонн.
- Россия – 177 млн. тонн.
- Бразилия – 123 млн. тонн.
- Индия – 100 млн. тонн.
- Норвегия – 57 млн. тонн.
- Канада – 51,4 млн. тонн.
- ЮАР – 34,1 млн. тонн.
- Австралия – 21,4 млн. тонн.
- Остальные страны – 59,1 млн. тонн.
Если оценивать в процентном отношении залежи титановых руд, то ситуация будет несколько иная:
- Китай – 38%.
- Россия – 17%
- Австралия – 10%.
- Бразилия – 6%.
- Норвегия – 4%.
- Индия – 4%.
- Канада – 3%.
- Украина – 1%.
- Другие страны – 17%.
Различия объясняются разнообразием месторождений и трудностью объективной оценки точного количества залежей этого минерала.
Физико-химические характеристики
Чистый уран чуть мягче стали, пластичный, ковкий. Слабый парамагнетик. Структура кристаллической решетки вещества меняется при разных температурах.
Даже в обычных условиях металл химически активен:
Более 8000 видов товара из 500 разновидностей натурального камня. Ежедневное обновление!
- Быстро окисляясь, покрывается переливчатой оксидной пленкой.
- Измельченный до порошка спонтанно воспламеняется при 151°C.
- Разъедается водой: чем выше температура и мельче фракции, тем быстрее.
- Растворяется кислотами, устойчив к щелочам.
- Соли вещества распадаются на ярком свету либо под воздействием органики.
Химические свойства вещества также определяются валентностью.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Уран / Uranium (U), 92 |
| Атомная масса (молярная масса) | 238,02891(3) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | 5f3 6d1 7s2 |
| Радиус атома | 138 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 142 пм |
| Радиус иона | (+6e) 80 (+4e) 97 пм |
| Электроотрицательность | 1,38 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | U←U4+ -1,38В U←U3+ -1,66В U←U2+ -0,1В |
| Степени окисления | 6, 5, 4, 3 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 686,4(7,11) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 19,05 г/см³ |
| Температура плавления | 1405,5 K |
| Температура кипения | 4018 K |
| Уд. теплота плавления | 12,6 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 417 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 27,67 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 12,5 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | орторомбическая |
| Параметры решётки | a = 2,854 Å; b = 5,870 Å; c = 4,955 Å |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 27,5 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-61-1 |
Четырехвалентные образцы урана нестабильны, долго находясь на воздухе, становятся шестивалентными.
Уран может проявлять степени окисления от +3 до +6.
| Степень окисления | Оксид | Гидроксид | Характер | Форма | Примечание |
|---|---|---|---|---|---|
| +3 | Не существует | Не существует | — | U3+, UH3 | Сильный восстановитель |
| +4 | UO2 | Не существует | Основный | UO2, галогениды | |
| +5 | Не существует | Не существует | — | Галогениды | В воде диспропорционирует |
| +6 | UO3 | UO2(OH)2 | Амфотерный | UO22+ (уранил), UO42- (уранат), U2O72- (диуранат) | Устойчив на воздухе и в воде |
Реакции металлического урана с другими неметаллами приведены ниже в таблице.
| Неметалл | Условия | Продукт |
|---|---|---|
| F2 | +20 oC, бурно | UF6 |
| Cl2 | 180 oC для измельчённого 500—600 oC для компактного | Смесь UCl4, UCl5, UCl6 |
| Br2 | 650 oC, спокойно | UBr4 |
| I2 | 350 oC, спокойно | UI3, UI4 |
| S | 250—300 oC спокойно 500 oC горит | US2, U2S3 |
| Se | 250—300 oC спокойно 500 oC горит | USe2, U2Se3 |
| N2 | 450—700 oC то же под давлением N 1300o | U4N7 UN2 UN |
| P | 600—1000 oC | U3P4 |
| C | 800—1200 oC | UC, UC2 |
Как добывают Уран (13 фото)
Уран используют и для военных, и для мирных целей. Урановая руда перерабатывалась, полученный элемент применялся в лакокрасочной и стекольной промышленности. После того как была обнаружена его радиоактивность, его стали использовать в атомной энергетике. Насколько чистым и экологичным является данное топливо? Об этом спорят до сих пор. Природный уран В природе урана в чистом виде не существует – он является компонентом руды и минералов. Основная урановая руда – это карнотит и настуран. Также значительные залежи этого стратегического химического элемента обнаружены в редкоземельных и торфиевых минералах – ортите, титаните, цирконе, монаците, ксенотиме. Залежи урана можно обнаружить в породах с кислой средой и высокими концентрациями кремния. Его спутники – кальцит, галенит, молибденит и др
Есть на свете компания под названием Uranium One, которой принадлежат крупнейшие урановые месторождения в Казахстане, Африке, Австралии и США. На компанию приходится до 30% мировой добычи урана. Но мало кто знает, что Uranium One, когда-то основанная, как канадско-южно-африканский консорциум, сейчас на 100% принадлежит «Росатому». В мире непрерывно идет жесточайшая борьба за контроль над рудниками и месторождениями урана. Это вопрос стратегический. Тот, кто держит в руках источники урана, не только держит за горло всю мировую атомную энергетику, но и может влиять на рынок ядерного оружия.
Мировые месторождения и запасы
На сегодняшний день разведано множество месторождений в 20-километровом слое земной поверхности. Во всех них содержится огромное число тонн урана. Это количество способно обеспечить человечество энергией на много сотен лет вперед. Странами-лидерами, в которых урановая руда находится в наибольшем объеме, являются Австралия, Казахстан, Россия, Канада, ЮАР, Украина, Узбекистан, США, Бразилия, Намибия. В СССР на территориях Казахстана, Киргизии, России, Таджикистана, Узбекистана и Украины были проведены системные работы по поиску и разведке месторождений урана. Были созданы горно-химические комбинаты, которые добывали уран в шахтах и на рудниках. Добытый уран направлялся в военную область, на обеспечение топливом АЭС и в стратегические резервы. Но в начале 90-х всё сломалось.
Российская урановая руда
По добыче урана Российская Федерация находится на пятом месте среди прочих стран мира. Самые известные и мощные – это Хиагдинское, Количканское, Источное, Кореткондинское, Намарусское, Добрынское (республика Бурятия), Аргунское, Жерловое (Читинская область). В Читинской области производится добыча 93% от всего добываемого российского урана. Всего в России прогнозируются залежи в 830 т. тонн урана, подтвержденных запасов имеется около 615 т. тонн. Это еще месторождения в Якутии, Карелии и других регионах. Поскольку уран является стратегическим мировым сырьем, цифры могут быть неточными, так как многие данные являются засекреченными, доступ к ним имеет только определенная категория людей.
Как применяют медь в промышленности
Медь в промышленности переплавляют
При производстве различных изделий использую медь в чистом виде и в виде сплавов с различными металлами. В чистом виде металл используют для изготовления сетевых кабелей и проводов электропередач. Медь отличается способностью быстро и без потерь проводить электроток. По этому показателю она уступает лишь серебру, но поскольку оно относится к драгоценным металлам и имеет высокую стоимость, то в электропроводках отдают предпочтение применению меди. Для производства сердцевины кабелей – медной жилы применяют только чистый металл, наличие любых примесей значительно снижает проводниковый эффект. Чтобы получить чистую медь, ее заготовки подвергают процессу электрорафинирования. Он представляет собой погружение металла в ванну, наполненную раствором сульфата меди, туда же погружают электрод, подключенный к электричеству. Ионы металла перемещаются к электроду, а частицы примесей собираются вблизи анода, таким образом, их можно удалить, а на выходе получается материал с содержанием 99,999% чистой меди.
Медно-никелевые сплавы характеризуются высокой электросопротивляемостью и применяются в приборостроении. Эти сплавы стойкие к коррозии, не разрушаются даже в морской воде. Сплав, в котором 40% цинка называется латунь, он обладает повышенной прочностью, а его дешевизна обуславливает широкое применение:
- в машиностроении;
- в производстве бытовых товаров;
- в химической промышленности.
Из латуни производят:
- трубы;
- радиаторы;
- гильзы;
- автомобильную фурнитуру и прочее.
Медное напыление используют при хромировании стали. Изделия из стали часто в декоративных целях покрывают хромом или никелем, но это покрытие недолговечно и в процессе эксплуатации может отпадать, во избежание этого между сталью и хромированным слоем наносят медное напыление, оно обеспечивает лучшее сцепление.
Применение меди в промышленности можно наблюдать и при осуществлении пайки, она значительно облегчает этот процесс, а деталь получается однородной и прочной. Этот металл является достаточно пластичным, его можно применять для изготовления водопроводных труб различной конфигурации, в России использование таких труб нешироко распространено, но в Европе такие изделия можно найти довольно часто.
Применение
Ядерное топливо
Основным направлением использования всех видов изотопов металлического урана является атомная энергетика. Именно в ядерных реакторах происходит регулируемая цепная реакция, позволяющая вырабатывать гигантские электрические мощности. Причём применение находит как низкообогащённый, так и высокообогащённый уран (в реакторах на быстрых нейтронах).
Геология
Геохронологическое использование урана (уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования) даёт возможность определять возраст геологических пород и минералов. Это открывает широкие перспективы для исследования протекания геологических процессов в недрах нашей планеты.
Другие сферы
В качестве иных областей применения урана, прежде всего, необходимо упомянуть изготовление ядерного и термоядерного оружия. Кроме того, карбид урана-235 используется в качестве одного из компонентов топлива реактивных ядерных двигателей.
Также, некоторые соединения урана входят в состав красителей. Они (соединения) в своё время использовались в фотографии для улучшения световых показателей негативов и позитивов.
Технология обогащения
Сырьё, из которого извлекаются редкие металлы и элементы обычно содержат в себе десятые, а то и тысячные доли процента необходимых материалов.
Подготовительный процесс
Дробление и измельчение позволяют отделить добываемые минералы от пустой породы. В результате получается продукт приемлемой для дальнейшей переработки формы с заданной концентрацией добываемого металла.
В случае трудностями с обогащением (урановые руды или ряд других полезных ископаемых) применяют гидрометаллургические способы извлечения металлов. Для ряда ценных минералов крупноразмерной фракции используется ручная разработка руды на транспортёре.
Основной процесс
Основной процесс обогащения представляет собой механические, физические и химические процессы, целью которых является получение концентрата (продукта обогащения руды, обладающего повышенной концентрацией необходимого минерала) и отходов.
В случае переработки руд редких металлов применяют следующие виды обогащения:
- Дробление с последующей обработке на грохоте основано на разной степени твёрдости полезных и пустых пород.
- Скольжение нужных минералов по наклонной плоскости со скоростью отличной от неиспользуемых материалов.
- Гравитационное обогащение – принцип действия этого метода базируется на разной скорости падения зёрен минералов в газообразной или жидкой среде.
- Флотационное обогащение, – в основу которого положено изменение смачиваемости поверхности под воздействием флотореагентов.
- Магнитное обогащение разделяет материалы по их магнитным свойствам.
- Электростатическое обогащение основано на использовании различии электрических свойств минералов.
Вспомогательный процесс
Технологические процессы, способствующие проведению основных процессов переработки, носят название «вспомогательных».
Непосредственно из руд получить редкие металлы не представляется возможным. На выходе целого ряда сложных процессов основной переработки имеются лишь оксиды и соли. Конечных потребителей это, естественно, не устраивает, так как им требуются металлы высокой степени очистки.
Для решения этой проблемы применяют методы обогащения, суть которых заключается: в разложении, создании соединений нужной чистоты, получении технически чистого металла или сплавов с его наличием в их составе, рафинировании металла, получении слитков или изделий с одновременным формированием нужной физико-химической структуры. В основе этих методов лежат гидрометаллургические, химические и пирометаллургические процессы.
Физиологическое действие[]
В микроколичествах (10−5—10−8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1 %), в легких — 50 %. Основные депо в организме: селезенка, почки, скелет, печень, легкие и бронхо-легочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10−7г.
Уран и его соединения токсичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м3, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м3. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы.
Открытие.
Уран был открыт в 1789 немецким химиком М.Клапротом, который присвоил имя элементу в честь открытия за 8 лет перед этим планеты Уран. (Клапрот был ведущим химиком своего времени; он открыл также другие элементы, в том числе Ce, Ti и Zr.) В действительности вещество, полученное Клапротом, было не элементным ураном, но окисленной формой его, а элементный уран был впервые получен французским химиком Э.Пелиго в 1841. С момента открытия и до 20 в. уран не имел того значения, какое он имеет сейчас, хотя многие его физические свойства, а также атомная масса и плотность были определены. В 1896 А.Беккерель установил, что соли урана обладают излучением, которое засвечивает фотопластинку в темноте. Это открытие активизировало химиков к исследованиям в области радиоактивности и в 1898 французские физики супруги П.Кюри и М.Склодовская-Кюри выделили соли радиоактивных элементов полония и радия, а Э.Резерфорд, Ф.Содди, К.Фаянс и другие ученые разработали теорию радиоактивного распада, что заложило основы современной ядерной химии и атомной энергетики.
Радиоактивность
Создание периодической системы российским химиком Дмитрием Менделеевым в 1869 году сосредоточило внимание на уране как на самом тяжелом из известных элементов, которым он оставался до открытия нептуния в 1940 г. В 1896-м французский физик Анри Беккерель обнаружил в нем явление радиоактивности. Это свойство позже было найдено во многих других веществах
Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238U (99,27 %, период полураспада — 4 510 000 000 лет), 235U (0,72 %, период полураспада — 713 000 000 лет) и 234U (0,006 %, период полураспада — 247 000 лет). Это позволяет, например, определять возраст горных пород и минералов для изучения геологических процессов и возраста Земли. Для этого в них измеряется количество свинца, который является конечным продуктом радиоактивного распада урана. При этом 238U является исходным элементом, а 234U – один из продуктов. 235U порождает ряд распада актиния
Это свойство позже было найдено во многих других веществах. Теперь известно, что радиоактивный во всех его изотопах уран состоит из смеси 238U (99,27 %, период полураспада — 4 510 000 000 лет), 235U (0,72 %, период полураспада — 713 000 000 лет) и 234U (0,006 %, период полураспада — 247 000 лет). Это позволяет, например, определять возраст горных пород и минералов для изучения геологических процессов и возраста Земли. Для этого в них измеряется количество свинца, который является конечным продуктом радиоактивного распада урана. При этом 238U является исходным элементом, а 234U – один из продуктов. 235U порождает ряд распада актиния.
Открытие цепной реакции
Химический элемент уран стал предметом широкого интереса и интенсивного изучения после того, как немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман в конце 1938 г. при его бомбардировке медленными нейтронами обнаружили в нем ядерное деление. В начале 1939 г. американский физик итальянского происхождения Энрико Ферми предположил, что среди продуктов расщепления атома могут быть элементарные частицы, способные породить цепную реакцию. В 1939 г. американские физики Лео Сциллард и Герберт Андерсон, а также французский химик Фредерик Жолио-Кюри и их коллеги подтвердили это предсказание. Последующие исследования показали, что в среднем при делении атома высвобождается 2,5 нейтрона. Эти открытия привели к первой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (02.12.1942), первой атомной бомбе (16.07.1945), первому ее использованию в ходе военных действий (06.08.1945), первой атомной подводной лодке (1955) и первой полномасштабной атомной электростанции (1957).
Состояния окисления
Химический элемент уран, являясь сильным электроположительным металлом, реагирует с водой. Он растворяется в кислотах, но не в щелочах. Важными состояниями окисления являются +4 (как в оксиде UO2, тетрагалогенидах, таких как UCl4, и зеленом водном ионе U4+) и +6 (как в оксиде UO3, гексафториде UF6 и ионе уранила UO22+). В водном растворе уран наиболее устойчив в составе иона уранила, обладающего линейной структурой 2+. Элемент также имеет состояния +3 и +5, но они неустойчивы. Красный U3+ медленно окисляется в воде, которая не содержит кислорода. Цвет иона UO2+ неизвестен, поскольку он претерпевает диспропорционирование (UO2+ одновременно сводится к U4+ и окисляется до UO22+) даже в очень разбавленных растворах.
Сплавы, соединения
В урановых сплавах применяют в качестве лигатуры:
- алюминий;
- титан;
- ванидий;
- ниобий;
- тантал и другие металлы.
Основными соединениями урана считают сплавы U-Al, U-Mg и U-Мо.
К сведению: оружейный уран легко превратить в топливный — просто «разбавить» обедненным (естественным).
Применение урана
После того, как урановую руду извлекают из земли, её измельчают, перерабатывают и делают небольшие урановые таблетки. Таблетки урана подвергаются высоким температурам, чтобы они стали более прочными.
Таблетки помещают в трубки, как правило, циркониевые. Каждая трубка вмещает до 335 таблеток. 236 трубок образуют топливную сборку или ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент), которую затем помещают в ядерный реактор.
После того как топливо закладывается в реактор, начинается процесс ядерного деления. Деление происходит в результате бомбардировки нейтронами атомного ядра урана.
Когда нейтрон сталкивается с атомом урана, последний расщепляется на два других атома. Происходит выделение большого количества энергии и других нейтронов. Они сталкиваются с атомами и порождают цепную реакцию.
Выделяемая энергия становится теплотой, которая нагревает воду в реакторе. Пар от горячей воды активирует турбины, а те, в свою очередь, запускают электрогенераторы. Такие генераторы и производят электроэнергию.
Ядерная (атомная) энергетика России
В России функционируют 10 атомных электростанций.
Основные залежи урана в России находятся рядом с городом Краснокаменском. Там же находятся основные горно-химическое объединения и крупнейшее уранодобывающее предприятие.
По объёму добытого урана Россия занимает 5 место. А вот по запасам урана — 3 место.
Недостатки ядерной энергии
Одним из основных недостатков является риск аварий и их последствия для окружающей среды. Зоны, заражённые радиоактивностью урана, становятся непригодными для жилья.
Ядерные отходы — ещё одно негативное последствие. Остатки производства не могут быть использованы повторно и должны быть правильно утилизированы. Контакт людей с такими отходами может вызвать генетическую мутацию, болезни и даже немедленную смерть.
Бочки с ядерными отходами
Месторождения урана
Не сложно догадаться, что при столь относительно небольших запасах рассматриваемого вещества в недрах земли и постоянном росте потребности в материале, его стоимость повышается. За последнее время было открыто довольно большое количество месторождений урана, лидером по его добычи принято считать Австралию. Проведенные исследования указывают на то, что на территории этой страны сконцентрировано более 30% всех запасов. Наиболее крупными месторождениями считаются:
- Биверли;
- Олимпик Дам;
- Рейнджер.
Интересным моментом является то, что главным конкурентом Австралии в сфере добычи руды урана принято считать Казахстан. На территории этой страны сконцентрировано боле 12% мировых запасов. Несмотря на достаточно большую площадь, в России только 5% мировых запасов.
Как ранее было отмечено, урановая руда применяется в качестве топлива, что и определяет ведение постоянных поисков его месторождений. На сегодняшний день уран часто применяется как топливо для ракетных двигателей. При производстве ядерного оружия этот элемент используется для повышения его мощности. Некоторые производители используют его для производства пигментов, которые используются в живописи.
Добыча урановых руд
Добыча урановой руды налажена во многих странах. Стоит учитывать, что сегодня для добычи руды могут применяться три технологии:
- При близком расположении урана к поверхности земли применяется открытия технология. Она довольно проста и не требует больших затрат. Для поднятия сырья применяются экскаваторы и другая подобная спецтехника. После поднятия и погрузки в самосвалы она доставляется на перерабатывающие заводы. Отметим, что у данной технологии есть довольно большое количество недостатков, но из-за простоты добычи она получила широкое распространение. В процессе разработки месторождений получаются карьеры, площадь которых может достигать несколько квадратных километров. Стоит учитывать, что подобный способ добычи руды наносит непоправимый вред окружающей среде. Поверхностной добычей урана занимается довольно большое количество крупных горных компаний.
- При глубоком расположении руды в толще земли проводится создание шахт. Технология достаточно сложна в исполнении, предусматривает также механическую добычу материала. Существует достаточно большое количество шахт, в которых проводится добыча урановой и другой руды. Подобный метод добычи породы связан с достаточно большими рисками, так как в толще земли могут находится карманы газа или подводные реки. Обрушение сводов может привести к консервированию шахты, гибели рабочих и повреждению дорогостоящего оборудования. Однако, в случае глубокого залегания рассматриваемой породы по-другому провести ее извлечение практически невозможно.
- Третий метод заключается в образовании скважин, в которые закачивается серная кислота. Вблизи ранее проделанной скважины создается вторая, которая предназначена для поднятия уже полученного раствора. После завершения процесса сорбции устанавливается оборудование, способное поднимать на поверхность вещества, напоминающие смолы. После поднятия полученной смолы на поверхность проводится ее обработка и выделение урана.
В последнее время все больше стали применять третий метод добычи урана. Это связано с тем, что он позволяет добиться высокой концентрации требуемого вещества при минимальном содержании загрязняющих химических элементов. Однако, подобная технология требует проведения точных геологических исследований, так как бурение скважин должно проводиться над месторождением рассматриваемого химического вещества. В противном случае, при добавлении кислоты на процесс сорбции при малой концентрации урана потребуется довольно много времени.
На территории России в большинстве случаев добыча урана проводится путем его механического извлечения. Кроме этого, добычей сырья для производства атомного топлива занимаются в Китае и Украине.
