Уран торий калий


Радиоактивные вещества в природе - ТАСС

Каждый химический элемент можно сделать радиоактивным, если в ядра атома добавить лишние нейтроны. Или, напротив, убрать часть этих частиц. Один элемент может быть представлен разными атомными ядрами, и эти варианты ядер называют изотопами. Изотопы бывают как стабильными, так и неустойчивыми: при избытке или недостатке нейтронов ядра рано или поздно распадаются и превращаются в ядра других элементов.

Альфа-распад: из ядра атома вылетает альфа-частица, два протона и два нейтрона. Альфа-частицы являются ядрами атома гелия.

Нестабильных, то есть радиоактивных, изотопов на Земле немного: большая их часть успела распасться задолго до появления человека. В природе короткоживущие изотопы получаются в основном в недрах звезд и особенно при вспышках сверхновых, поэтому на Земле до XX века нельзя было найти ни стронция-90, ни йода-131, ни плутония в любом виде. Однако ряд медленно распадающихся изотопов вполне дошел до наших дней.

Калий-40

Калий обычно имеет атомную массу 39. Это значит, что на его 19 протонов (он 19-й в таблице Менделеева) приходится 20 нейтронов — вполне стабильное соотношение. Но кроме калия-39 есть еще калий-40, и вот он уже радиоактивен.

Калий-40 имеет очень большой период полураспада — свыше миллиарда лет. Это значит, что если поместить перед собой атом калия-40 и ждать его превращения в кальций или аргон, то через миллиард лет шанс зафиксировать акт распада составит всего 50%. Другое определение периода полураспада гласит, что это то время, за которое распадется половина ядер. Несмотря на то что ядра калия-40 распадаются крайне редко, большое число этих ядер вокруг нас делает присутствие изотопа вполне заметным.

Пока вы читали абзац выше, у вас в теле произошли десятки тысяч актов распада калия-40. Внутри среднего по величине банана ежесекундно происходит 10-15 распадов, и в связи с этим ученые даже предложили шуточную величину «банановый эквивалент» — доза облучения, сравнимая с эффектом от съеденного банана.

Бананы богаты калием. В том числе и калием-40, который бета-активен. Бета-распад происходит при превращении одного из нейтронов в ядре в протон, электрон и антинейтрино. Электрон в данном случае называют бета-частицей. Фото: Wilfredor / Wikimedia.

При концентрации калия-40 вполне можно получить превышение радиационного фона. Простейший способ собрать побольше калия-40 в одном месте — это собрать золу от сжигания растений. Зачастую кучи золы на садовых участках можно найти при помощи даже простого бытового радиометра. Опасности для здоровья это, впрочем, не представляет.

Углерод-14

Кроме калия-40 в органической материи можно найти еще углерод-14, однако его намного меньше. Он упоминается по единственной причине: углерод-14 позволяет археологам определить возраст находок.

Дело в том, что живое растение поглощает из атмосферы (углекислого газа) как углерод-12, самый распространенный изотоп, так и углерод-14. В момент спиливания древесина содержит изотопы углерода в той пропорции, которая характерна для окружающей среды, но затем углерод-14 постепенно распадается. Аналогично обстоит дело и с животными, которые потребляют растительную пищу: пока они живы, в их теле присутствуют оба изотопа в более или менее естественном соотношении.

Чем меньше осталось углерода-14, тем больше прошло времени. Если объект пролежал в земле дольше 50 тысяч лет, то углерода-14, и без того редкого, становится недостаточно для проведения исследований.

Уран-238, торий-232 и немного урана-235

Химический состав гранитов: натрий, алюминий, кремний, кислород, немного водорода и фтора (в составе биотита. Гранит - это смесь полевого шпата, кварца и биотита). Однако кроме этих основных элементов в граните есть примеси, и среди них особняком выделяются уран и торий. Оба элемента представлены исключительно радиоактивными изотопами, поэтому радиационный фон на гранитных скалах будет выше, чем на сложенной из глины и песка равнине.

При нормальной работе тепловая электростанция на угле выбрасывает в атмосферу больше радиоактивных веществ, чем АЭС такой же мощности. Причина этого в том, что уголь, так же как и гранит, загрязнен ураном и торием.

«Фонят» гранитные плиты, которыми облицованы многие здания, станции метро и набережные. Как и в случае с калием-40 в золе, найти такой гранит можно обычным бытовым радиометром, и говорить об опасности для человека в данном случае не приходится. Есть целые горные массивы, где фон в разы больше, чем на равнине, однако врачи не замечают в таких местах роста заболеваемости.

Важно подчеркнуть, что облучение от гранитной плиты снизу или сбоку к тому же обладает намного меньшим биологическим эффектом, чем попадание радиоактивных изотопов внутрь тела. Гранит несъедобен и прямой угрозы не несет, разве что упадет сверху. Плотность и твердость минерала обычно угрожают человеку куда больше, чем бета- и гамма-активность.

Радон-222

Сказанное выше про гранит предполагает, что вы не проводите много времени в подвальных помещениях в местности с выходом гранита на поверхность. При распаде ядер урана в этом минерале образуется в том числе радиоактивный газ радон, а вот он уже, как показали наблюдения медиков, способен вызвать рак легких. Точнее сказать, у людей, которые работают или живут в помещениях с повышенным содержанием радона, риск рака легких выше, чем в среднем по населению.

По оценкам британских специалистов-онкологов, радон — вторая после курения причина рака легких. Несмотря на то что радон дает альфа-излучение, которое можно задержать даже картоном или фольгой, он намного опаснее всех перечисленных в этой статье изотопов. Причина — радон попадает с воздухом в легкие и облучает их изнутри.

Так выглядит обогащенный, то есть с повышенным содержанием урана-235, уран. Вопреки расхожему мнению, уран не настолько опасен, чтобы к нему нельзя было даже подойти. Намного страшнее отработанное ядерное топливо с изотопами

Единственная эффективная мера защиты против радона заключается в хорошей вентиляции. Газ проникает в здания из строительных материалов или недр земли, но при постоянной смене воздуха не успевает накапливаться в опасных количествах.

В начале XX века радоновое облучение медики считали «стимулирующим», но в наши дни радоновые ванны в большинстве стран мира (Россия тут — одно из немногих исключений) признаны как минимум бесполезными.

Уран

Химический элемент уран относится к металлическим актинидам. Он был открыт в 1789 году Мартином Генрихом Клапротом.

Зона данных

Классификация: Уран - металл-актинид
Цвет: серебристо-белый
Атомный вес: 238,0289, стабильных изотопов нет
Состояние: цельный
Температура плавления: 1135 o C, 1408 K
Температура кипения: 4130 o C, 4403 K
Электронов: 92
Протонов: 92
Нейтроны в наиболее распространенном изотопе: 146
Электронные оболочки: 2,8,18,32,21,9,2
Электронная конфигурация: [Rn] 5f 3 6d 1 7s 2
Плотность при 20 o C: 18.9 г / см 3
Показать больше, в том числе: температуры, энергии, окисление,
реакции, соединения, радиусы, проводимости
Атомный объем: 12,59 см 3 / моль
Состав: орторомбический
Твердость: 6.0 mohs
Удельная теплоемкость 0,12 Дж г -1 К -1
Теплота плавления 8.520 кДж моль -1
Теплота распыления 482 кДж моль -1
Теплота испарения 422,58 кДж моль -1
1 st энергия ионизации 597,6 кДж моль -1
2 nd энергия ионизации 1420 кДж моль -1
3 rd энергия ионизации
Сродство к электрону
Минимальная степень окисления 0
Мин.общее окисление нет. 0
Максимальное число окисления 6
Макс. общее окисление нет. 6
Электроотрицательность (шкала Полинга)
Объем поляризуемости 27,4 Å 3
Реакция с воздухом легкая, ⇒ U 3 O 8
Реакция с 15 M HNO 3 пассивированный
Реакция с 6 M HCl мягкий, ⇒ H 2
Реакция с 6 М NaOH нет
Оксид (оксиды) UO, UO 2 , UO 3 , U 2 O 5 , U 3 O 8
Гидрид (-ы) UH 3
Хлорид (ы) UCl, UCl 3 , UCl 4 , UCl 5 , UCl 6
Атомный радиус 175 вечера
Ионный радиус (1+ ион)
Ионный радиус (2+ ионов)
Ионный радиус (3+ ионов) 116.17:00
Ионный радиус (1-ионный)
Ионный радиус (2-ионный)
Ионный радиус (3-ионный)
Теплопроводность 27,5 Вт · м -1 K -1
Электропроводность 3,6 x 10 -6 См -1
Температура замерзания / плавления: 1135 o C, 1408 K

Открытие урана

В древние времена оксид урана использовался для производства керамической глазури желтого цвета.

Уран был официально открыт в 1789 году в Берлине, Германия, Мартином Генрихом Клапротом.

Клапрот изучал минеральную урану, которая тогда считалась цинко-железной рудой.

Клапрот растворял уравновку в азотной кислоте, затем добавлял поташ, чтобы получить желтый осадок. Добавление избытка поташа растворило желтый осадок. Такие реакции не были характерны ни для одного известного элемента, и Клапрот пришел к выводу, что он открыл новый элемент. (1)

Он назвал его в честь недавно открытой планеты Уран.

В 1841 году французский химик Эжен-Мельхиор Пелиго выделил металлический уран путем нагревания тетрахлорида урана с калием.

Ниже приведены фотографии урановой руды (слева) и оксидов урана в пробирках. Эти оксиды, известные как желтый кек, образуются при очистке урановых руд.

Степени окисления урана.

Бывший газодиффузионный завод в Ок-Ридже, представляющий собой масштабные предприятия, необходимые для обработки делящегося урана.

Нейтрон сталкивается с атомом U-235. U-236 образуется ненадолго, прежде чем подвергнется ядерному делению; это дает новые атомы плюс энергию плюс больше нейтронов. Эти недавно выпущенные нейтроны могут вызвать расщепление большего количества U-235. Если атомы U-235 присутствуют в достаточно высоких концентрациях, возникает цепная ядерная реакция. Изображение Fastfission.

Внешний вид и характеристики

Вредные воздействия:

Уран вреден как из-за своей химической токсичности, так и из-за своей радиоактивности.Воздействие урана увеличивает риск заболевания различными видами рака из-за его радиоактивности.

Характеристики:

Уран - плотный серебристо-белый слегка парамагнитный радиоактивный металл. Кроме того, он пластичный и податливый. На воздухе металл тускнеет, приобретая темный слой оксида. В мелком порошке уран самовоспламеняется на воздухе.

Уран - это металл с высокой реакционной способностью, который вступает в реакцию почти со всеми неметаллическими элементами и многими их соединениями.Он растворяется в кислотах, но не растворяется в щелочах.

Когда уран присутствует в соединениях, он существует в основном в степени окисления IV и степени окисления VI.

Все изотопы урана радиоактивны, некоторые в большей степени, чем другие. Его радиоактивность, в частности его способность вступать в цепные термоядерные реакции, привела к тому, что уран используется в производстве энергии как в гражданских, так и в военных целях.

Использование урана

Уран используется в качестве топлива для атомных электростанций.Один килограмм урана-235 способен произвести столько же энергии, сколько 1500000 килограммов (1500 тонн) угля.

Уран природного происхождения содержит более 99% U-238 и лишь около 0,7% расщепляющегося U-235. Огромные газодиффузионные установки используются для производства обогащенного урана с более высокими концентрациями U-235.

Уран для использования на атомных электростанциях обогащен до концентрации U-235 2-3%.

Считается, что в ядерном оружии уран обогащен примерно до 90% по U-235, хотя при более низких концентрациях все равно получится работающая бомба.

,

Космическое происхождение урана - Всемирная ядерная ассоциация

(ноябрь 2016 г.)

  • Уран обеспечивает значительную часть нашей электроэнергии во всем мире, но этот факт не имеет значения, когда мы рассматриваем роль урана в эволюции Земли.
  • Считалось, что уран Земли образовался в результате одной или нескольких сверхновых более 6 миллиардов лет назад. Более поздние исследования показывают, что некоторое количество урана образуется в результате слияния нейтронных звезд.
  • Позже уран стал обогащаться в континентальной коре.
  • На радиоактивный распад приходится около половины теплового потока Земли.

Геологи и геохимики изучают распространенность, распределение и хронометрический потенциал изотопов урана более века. Их работа проистекает из открытия Клапротом в 1789 году самого тяжелого природного элемента, демонстрации Беккерелем в 1896 году, что соли урана радиоактивны, заключения Болтвуда в 1905 году о том, что свинец, как и гелий, является продуктом распада урана, и предположения Резерфорда в 1906 году о геологической активности. хронометрический потенциал радиоактивности.С геохимической точки зрения, некоторые из основных вопросов:

  1. Откуда на Земле появился уран?
  2. Какое влияние оказало сравнительно незначительное содержание урана в Земле на эволюцию планеты и, наоборот, существуют ли обратные связи, управляющие геохимическим циклом урана, которые изменяются в течение веков (то есть в течение долгих, неопределенных периодов времени)?
  3. Можем ли мы проследить во времени, как уран был переработан через экзосферу, кору и мантию Земли?

Космическое изобилие элементов

В течение многих лет, начиная с 1930-х годов, большое количество ученых было занято определением содержания элементов и их изотопов в объектах, составляющих солнечную систему, и учётом наблюдаемых закономерностей содержания.Фактически, спектроскопические измерения показывают, что содержания элементов в звездах различаются и что не существует единой применимой модели «космического содержания».

Ближе к нам, есть большие различия в содержании элементов на различных планетах, вращающихся вокруг нашего Солнца с преобладанием водорода и гелия. Планеты земной группы, включая Землю, относительно обеднены потенциально газообразными или летучими элементами (водород, гелий, углерод и неон) и преобладают элементы с низким и даже атомным номером (кислород, магний, кремний и железо).В этом масштабе уран, содержание которого на Солнце составляет всего 10 -12 водородов, является чрезвычайно редким элементом. Кроме того, измерения изотопов кислорода в метеоритах показывают, что Солнечная система в целом неоднородна с точки зрения изотопных отношений. Все эти вариации позволяют сделать вывод, что в производстве материала протосолнечной системы участвовали несколько источников.

Откуда взялся уран?

Космохимики интересовались не только закономерностями и вековыми тенденциями содержания элементов в галактиках, но также и происхождением аномалий содержания в отдельных звездах и теориями синтеза различных ядер для объяснения этих наблюдений.Согласно этим теориям, уран Земли образовался в одной или нескольких сверхновых («Взрывное повышение яркости звезды, при котором излучаемая ею энергия увеличивается в десять миллиардов раз ... Взрыв сверхновой происходит, когда звезда сгорает. все имеющееся ядерное топливо и активная зона катастрофически разрушаются ». - Оксфордский физический словарь. Основной рассматриваемый процесс заключался в быстром захвате нейтронов зародышевыми ядрами со скоростью выше, чем распад из-за радиоактивности. Считается, что требуемые потоки нейтронов возникают во время катастрофически взрывоопасных звездных событий, называемых сверхновыми.Гравитационное сжатие железа (остров ядерной стабильности, неспособное к дальнейшим экзотермическим реакциям синтеза) и внезапный коллапс в центре массивной звезды вызывают взрывной выброс большей части звезды в космос вместе с потоком нейтронов. Были обнаружены остатки сотен сверхновых.

Совсем недавно вторая теория предложила, что уран образуется при слиянии двух нейтронных звезд. Нейтронные звезды очень плотные: чайная ложка вещества нейтронной звезды имеет массу порядка 5 миллиардов тонн.Когда два таких тела сближаются, сильные гравитационные силы заставляют их сильно слиться, испуская гравитационные волны и производя огромное количество тяжелых элементов, таких как золото, платина и уран.

Итак, мы знаем, что уран Земли был произведен в результате одного или нескольких из этих процессов, и что этот материал был унаследован солнечной системой, частью которой является Земля.

Мы можем также спросить, как давно произошел этот синтез урана. Учитывая

  • современное содержание U-235 и U-238 в различных «оболочках», образующих нашу планету,
  • - сведения о периоде полураспада этих изотопов, а
  • -
  • возраст Земли (c 4.55 миллиардов лет) - известна по различным радиометрическим «часам», включая цепочки распада урана и свинца.

Мы можем подсчитать содержание U-235 и U-238 на момент формирования Земли. Зная далее, что отношение образования U-235 к U-238 в сверхновой составляет около 1,65, мы можем подсчитать, что если бы весь уран, находящийся сейчас в Солнечной системе, был образован в одной сверхновой, это событие должно было произойти примерно на 6,5 миллиардов много лет назад.

Эта «одноступенчатая», однако, является чрезмерным упрощением.Фактически, это были множественные сверхновые звезды от более чем 6 миллиардов до примерно 200 миллионов лет назад. Кроме того, исследования изотопного содержания элементов, таких как кремний и углерод в метеоритах, показали, что более десяти отдельных звездных источников участвовали в генезисе вещества Солнечной системы. Таким образом, относительное содержание U-235 и U-238 на момент образования Солнечной системы:

  • нельзя преобразовать в «одноступенчатую» модель возраста,
  • - по сути случайное и уникальное значение, а
  • отражает вход взрывоопасных обломков многих звезд-прародителей.

Обогащение земной коры

Было проведено множество анализов урана в породах, образующих континентальные и океанические корки, а также в образцах мантии Земли, обнаженных в виде приподнятых пластов в горных поясах или в виде «ксенолитов» в базальтах и ​​кимберлитах (скопления алмазов).

У нас есть некоторая уверенность в том, что эти измерения надежны для коры и верхней мантии Земли, но меньше уверенности в том, что мы знаем обилие урана в нижней мантии, а также во внешнем и внутреннем ядрах.В то время как в среднем содержание урана в метеоритах составляет около 0,008 частей на миллион (грамм / тонна), содержание урана в «примитивной мантии» Земли - до извлечения континентальной коры - составляет 0,021 частей на миллион. С учетом извлечения железоникелевого сплава, образующего сердцевину, без урана (из-за характеристик урана, которые заставляют его легче соединяться с минералами в породах земной коры, а не с богатыми железом), это все же представляет собой примерно двукратное обогащение материалы, образующие прото-Землю, по сравнению со средними метеоритными материалами.

Современное содержание урана в «обедненной» мантии, обнаженной на дне океана, составляет около 0,004 частей на миллион. С другой стороны, континентальная кора относительно обогащена ураном - около 1,4 частей на миллион. Это представляет собой 70-кратное обогащение по сравнению с примитивной мантией. Фактически, уран, потерянный из «обедненной» океанической мантии, в основном секвестрируется в континентальной коре.

Вероятно, что процесс или процессы, в результате которых уран переместился из мантии в континентальную кору, являются сложными и многоступенчатыми.Однако, по крайней мере, за последние 2 миллиарда лет они задействовали:

  1. образование океанической коры и литосферы в результате плавления мантии на срединно-океанических хребтах,
  2. миграция этой океанической литосферы вбок к месту потребления плиты (на поверхности обозначено глубоководным желобом),
  3. производство флюидов и магм из опускающейся (субдуцированной) литосферной плиты и преобладающего мантийного «клина» в этих зонах субдукции,
  4. перенос этих флюидов / расплавов на поверхность в зонах «островных дуг» (таких как Тихоокеанское огненное кольцо),
  5. производство континентальной коры из этих протолитов островной дуги путем переплавки, образования гранита и внутрикоровой переработки.

На протяжении всего этого коркообразующего цикла литофильный характер урана проявляется в постоянстве отношения калия к урану на уровне около 10 000 в породах от перидотита до гранита. Поскольку мы хотели бы отслеживать, как уран распределяется на Земле, содержание и изотопные характеристики свинца - радиогенного дочернего элемента U-235 и U-238 - являются полезными параметрами. Таблица 1 ниже подчеркивает относительно низкое содержание свинца в мантии Земли и, как следствие, высокое отношение урана к свинцу по сравнению с метеоритами.Разница в содержании, скорее всего, может быть объяснена летучей природой свинца и его тенденцией соединяться с железом, при этом свинец теряется во время земной аккреции и отделения ядра. Одним из следствий этих высоких соотношений, конечно же, является сравнительно высокое радиогенное / нерадиогенное содержание Pb-207 / Pb-204 и Pb-206 / Pb-204 в земной коре и мантии по сравнению с метеоритами или земным слоем. ядро. (Pb-207 является конечным стабильным продуктом распада U-235, а Pb-206 является продуктом U-238. Pb-204 не является радиогенным.

Таблица 1

Содержание U
(частей на миллион)
Содержание Pb
(частей на миллион)
Соотношение U / Pb
Метеориты 0,008 2,470 0,003
Первобытная мантия 0,021 0,185 0,113
Континентальная кора 1.4 12,6 0,111

Цифра, приведенная для континентальной коры, является средним значением для всей коры. Конечно, локальная концентрация урана может намного превышать эти значения, начиная от 50 ppm, вкрапленных в некоторых гранитах, до гораздо более высоких значений в рудных месторождениях. Фактически, в геологическом прошлом местные концентрации урана иногда достигали естественной критичности, например, реакторы Окло в Габоне.

Источник энергии

Конвекция во внешнем ядре и мантии, при которой тепло передается за счет движения нагретого вещества, управляет многими эндогенными процессами Земли.

Конвекция в ядре может быть вызвана теплом, выделяющимся при постепенном затвердевании ядра (скрытая теплота кристаллизации), и приводит к самоподдерживающемуся земному динамо, которое является источником магнитного поля Земли. Также считается, что передача тепла от ядра на границе ядро ​​/ мантия вызывает восходящие потоки относительно горячих и, следовательно, с низкой плотностью шлейфов материала. Затем эти шлейфы поднимаются, по существу, не набирая и не теряя тепла, и претерпевают декомпрессионное плавление вблизи поверхности Земли в «горячих точках», таких как Гавайи, Реюньон и Самоа.

Однако основным источником энергии, вызывающим конвекцию в мантии, является радиоактивный распад урана, тория и калия. На современной Земле большая часть энергии вырабатывается в результате распада U-238 (c 10 -4 Вт / кг). Однако во время формирования Земли распад и U-235, и K-40 был бы примерно равным по значимости, и оба они превысили бы тепловыделение U-238.

Простой способ взглянуть на процесс тектоники плит - формирование и удаление океанической литосферы - заключается в том, что это механизм, посредством которого мантия излучает тепло.И наоборот, «мантийные шлейфы / горячие точки» - это то, как ядро ​​излучает тепло. Что касается общих потерь тепла от Земли в настоящее время, активность плит составляет около 74%, на горячие точки приходится около 9%, а потери радиогенного тепла непосредственно из континентальной коры составляют около 17%. Земля хорошо изолирована термически, и теплопотери с поверхности теперь могут отражать тепловыделение в прошлом.

Измерения тепла привели к оценкам, что Земля вырабатывает от 30 до 44 тераватт тепла, большая часть которого связана с радиоактивным распадом.Измерения антинейтрино предположили, что около 24 ТВт возникает в результате радиоактивного распада. Профессор Боб Уайт приводит более позднюю цифру в 17 ТВт от радиоактивного распада в мантии, а более поздняя цифра, основанная на геонейтрино, составляет 20 +/- 8 ТВт от распада U-238 и Th-232, плюс 4 ТВт от распада K-40. , Это сопоставимо с потерей тепла 42-44 ТВт на поверхности Земли из глубины Земли. Баланс достигается за счет изменений в ядре. Таким образом, около половины общего теплового потока Земли происходит от радиоактивного распада.(Потери тепла из-за падающего солнечного излучения намного больше, что весьма заметно.)

Атмосфера и парниковый эффект, роль растений

Помимо фундаментальной физической и химической дифференциации Земли, обусловленной тектоникой плит, формирование и разрушение литосферы также имеют решающее значение для многих процессов во внешнем слое атмосферы. Мы знаем, например, что в периоды усиленного формирования океанической литосферы, как это произошло в меловой период около 100 миллионов лет назад, срединно-океанические хребты стояли выше, вызывая затопление низменных частей континентов.Фактически, Лавразийская часть бывшего суперконтинента Пангея была затоплена в большей степени, чем часть Гондваны, что, возможно, отражало некоторый глубоко укоренившийся контраст между температурой и составом. Эффекты были разнообразными и включали:

  1. усиленное выделение двуокиси углерода, вызывающее повышенное содержание двуокиси углерода в океане и атмосфере,
  2. уменьшение площади поверхности материка, ведущее к снижению титрования из-за выветривания атмосферного углекислого газа,
  3. поддерживал высокий уровень углекислого газа в атмосфере, что привело к усилению парникового эффекта и потеплению климата.

В нескольких атмосферных процессах произошли вековые изменения, в том числе изменение состава - от относительно восстановительного до чрезвычайно окислительного. Странное на вид "уравнение" производства атмосферы:

CO 2 + H 2 = N 2 + O 2

, где первичные, вулканически дегазированные поступления в атмосферу находятся слева, а совокупные обильные компоненты находятся в правой части уравнения.Азот - это следы вулканического выброса, который не используется в значительной степени в поверхностных процессах, включая тривиальный эффект органической жизни, а просто накапливается в атмосфере. Расстояние Земли от Солнца вместе с обратной связью парниковых газов позволяет поддерживать температуру поверхности в пределах диапазона конденсации воды. Углекислый газ растворяется в воде, а также поглощается кальцитом неорганическими и органическими осадками в виде известняка.

Замечательной особенностью нашей атмосферы является присутствие молекулярного кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза, процесса, при котором зеленые растения производят свои углеводы из атмосферного углекислого газа и воды:

6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Фотосинтез можно проследить примерно до 3 лет.8 миллиардов лет. Некоторое время выделяемый кислород потреблялся за счет окисления восстановленных соединений железа на поверхности Земли. В конечном итоге кислород начал накапливаться в атмосфере в виде свободного кислорода около 2,5 миллиардов лет назад.

В дополнение ко многим другим эффектам, изменение редокс-характера экзосферы привело к фундаментальному изменению способа транспортировки урана в цикле выветривания-эрозии-осаждения. В то время как в восстановленных условиях уран относительно нерастворим и стабилен как уранинит (UO 2 ), в окислительных условиях он становится растворимым (U 6+ ) и легко транспортируется.Начиная с 2,5 миллиарда лет назад рудные месторождения урана формировались в основном там, где было достигнуто восстановление урансодержащих флюидов, например, бактериями или путем контакта с графитовыми сланцами.

Распределение урана во времени

Окислительная атмосфера также привела к увеличению концентрации урана в океанах и, следовательно, в результате переноса в рециркулирующих гидротермальных флюидах к относительному обогащению в океанической коре. Усиленный перенос урана из экзосферы в недра Земли - через субдукцию океанической литосферы и последующую повторную гомогенизацию этой литосферы в мантию Земли - оказал значительное влияние на нынешнее распределение урана на Земле и может объяснить некоторые любопытные обстоятельства. несоответствия изотопных характеристик мантии.Например, в то время как интегрированные во времени значения Pb-208 (стабильный конечный продукт распада Th-232) / Pb-206 базальтов срединно-океанических хребтов указывают на значения Th / U мантийного источника около 4, измеренные значения Th / Уран и систематика короткоживущих нарушений равновесия Th-U указывают на соотношение около 2. Вероятно, что примерно 2,5 миллиарда лет назад инъекции урана в мантию были эффективными в снижении отношения тория к урану на (верхний ) мантийный масштаб.

Дополнительным чистым эффектом является избирательная реинжекция урана в мантию, а не свинца, который в основном извлекается в зонах субдукции и немедленно возвращается в кору.Мы знаем, что в целом большинство базальтов производится из мантии с повышенным соотношением уран / свинец и с кажущимся «будущим» возрастом по сравнению с изотопными отношениями свинца, характерными для замкнутой системы, одностадийной эволюции урана / свинца на Земле. , Эту особенность геохимики иногда называют «парадоксом свинца», и она может частично быть связана с влиянием обратной связи окисляющей экзосферы, вызванной жизнью, на недрах Земли.

Природные ядерные реакторы в земной коре

Около 2 миллиардов лет назад в Окло в Габоне, Западная Африка, заработали не менее 17 естественных ядерных реакторов на богатых месторождениях урановой руды.Каждый работал на тепловой мощности около 20 кВт. В то время концентрация U-235 во всем природном уране составляла 3,7 процента вместо 0,7 процента, как в настоящее время (U-235 распадается намного быстрее, чем U-238, период полураспада которого примерно равен возрасту нашей планеты. ).

Эти естественные цепные реакции, спонтанно начавшиеся из-за присутствия воды в качестве замедлителя, продолжались около двух миллионов лет, прежде чем окончательно прекратились. За этот длительный период реакции около 5,4 тонны продуктов деления, а также 1.5 тонн плутония вместе с другими трансурановыми элементами было произведено в рудном теле. Первоначальные радиоактивные продукты давно распались на стабильные элементы, но изучение их количества и местоположения показало, что во время и после ядерных реакций движение радиоактивных отходов было незначительным. Плутоний и другие трансурановые соединения оставались неподвижными.

Теория геореактора

Совершенно иной взгляд на роль урана на Земле - это теория, согласно которой большая часть урана на исконной планете погрузилась в ядро ​​и образовала там ядро ​​диаметром около 8 км, которое с тех пор деляется.Истощение запасов U-235 в течение геологического времени не привело к прекращению реакции, потому что эта активная зона представляет собой быстрый реактор (не требующий какого-либо замедлителя), который воспроизводит плутоний-239 из U-238. Теория геореактора опирается на относительно немного свидетельств и не пользуется широкой поддержкой.

Источники:
Этот документ, за исключением двух последних разделов и дополнений с количественной оценкой выработки внутренней энергии, подготовлен профессором Ричардом Аркулусом из Австралийского национального университета и используется с разрешения автора.Он основан на документе, представленном профессором Аркулусом на промежуточном совещании Института урана в Аделаиде 17 апреля 1996 года.
Новый ученый 7/8/04 и 30/7/05

,

Уран - Информация об элементе, свойства и использование

Расшифровка:

Химия в ее элементе: уран

(Promo)

Вы слушаете Химию в ее элементе, представленную вам Chemistry World , журналом Королевского химического общества.

(Конец промо)

Крис Смит

Что касается химии в ее стихии на этой неделе, можете ли вы угадать, что связывает кили лодки, бронебойное оружие, красивое цветное стекло, которое вы можете отследить с помощью счетчика Гейгера и больше степеней окисления, чем химик может встряхнуть стеклянной палочкой.Если нет, то вот Полли Арнольд с ответом.

Полли Арнольд

Уран, безусловно, один из самых известных или, возможно, я бы сказал печально известных элементов. Это самый тяжелый природный элемент. На самом деле его в земной коре больше, чем серебра. Это один из восьми элементов, названных в честь небесных объектов, но вы можете не подумать, что уран заслуживает названия в честь планеты Уран. Блестящий черный порошок, который химик Клапрот выделил из минеральной урановой обманки в 1789 году, всего через восемь лет после открытия Урана, на самом деле был оксидом урана.Лишь пятьдесят два года спустя Эжен Мельхиор Пелиго восстановил тетрахлорид урана калием, и в этих более суровых условиях наконец получил чистый серебристо-белый металл. Образцы металла быстро тускнеют на воздухе, но если металл мелко разделен, он воспламеняется.

Уран находится среди актинидов, второй металлической оболочки, заполняющей свои f-орбитали валентными электронами, делая их большими и тяжелыми.

В химическом отношении уран восхитителен.Его ядро ​​настолько полно протонов и нейтронов, что оно сближает свои основные электронные оболочки. Это означает, что в игру вступают релятивистские эффекты, влияющие на орбитальные энергии электронов. Электроны внутреннего ядра движутся быстрее и притягиваются к тяжелому ядру, лучше защищая его. Таким образом, внешние валентные орбитали более экранированы и расширены и могут образовывать гибридные молекулярные орбитали, которые приводили аргументы в пользу точного упорядочения энергий связи в ионе уранила вплоть до нынешнего столетия.

Это означает, что теперь можно объединить множество орбиталей, чтобы образовать связи, и, следовательно, некоторые очень интересные соединения. В отсутствие воздуха уран может демонстрировать широкий диапазон степеней окисления, в отличие от лантаноидов, расположенных непосредственно над ним, и он образует множество глубоко окрашенных комплексов в своих более низких степенях окисления. Тетрахлорид урана, восстановленный Пелиго, имеет красивый травянисто-зеленый цвет, а трийодид - темно-синий. Из-за этого некоторые считают его «большим переходным металлом».Большинство этих соединений сложно создать и охарактеризовать, поскольку они так быстро реагируют с воздухом и водой, но в этой области химии еще есть возможности для больших достижений.

Разветвления релятивистских эффектов на энергии связывающих электронов вызвали большой интерес у нас, химиков-синтетиков, но, к сожалению, у многих химиков-экспериментаторов и химиков-вычислителей, которые пытаются понять, как лучше справиться с наследием ядерных отходов, возникло много проблем.

В окружающей среде уран неизменно существует в виде диоксидной соли, называемой уранил-ионом, в которой он плотно зажат между двумя атомами кислорода в самой высокой степени окисления.Известно, что соли уранила не реагируют с атомами кислорода, и около половины всех известных соединений урана содержат этот диоксомотив. Одна из самых интересных сторон этой области химии урана возникла в последние пару лет: несколько исследовательских групп нашли способы стабилизировать однократно восстановленный ион уранила, фрагмент, который традиционно считался слишком нестабильным для выделения. Этот ион теперь начинает проявлять реактивность по отношению к своим атомам кислорода и, возможно, сможет многое рассказать нам о более радиоактивных и более реактивных искусственных сестрах урана, нептунии и плутонии - они также присутствуют в ядерных отходах, но с ними трудно работать. в количествах, превышающих миллиграммы.

За пределами химической лаборатории уран наиболее известен своей ролью ядерного топлива. Это было в центре внимания многих химиков в последние месяцы из-за международных дебатов о роли, которую ядерная энергия может играть в будущем как низкоуглеродный источник энергии, и о том, пригодны ли наши новые поколения более безопасных и эффективных электростанций. человек-доказательство.

Для производства топлива, которое используется в реакторах для выработки электроэнергии, природный уран, который почти полностью состоит из U-238, обогащается изотопом U-235, который обычно присутствует только в количестве около 0.7%.

Остатки, называемые обедненным ураном, или DU, имеют значительно пониженное содержание U-235, составляющее всего около 0,2%. Он на 40% менее радиоактивен, чем природный уран и материал, из которого мы делаем соединения в лаборатории.

Потому что это настолько плотным, DU также используется в экранировании, в килей лодок и более спорно, в носах бронебойного оружия. Металл обладает желаемой способностью самозатачиваться, когда проникает в цель, а не превращается в гриб при ударе, как это делает обычное оружие с наконечником из карбида вольфрама.

Критики оружия с обедненным ураном утверждают, что оно может накапливаться на полях сражений. Поскольку уран в первую очередь является альфа-излучателем, его радиоактивность действительно становится проблемой, только если он попадает внутрь организма, где он может накапливаться в почках, вызывая повреждение. Однако уран также является тяжелым металлом, и его химическая токсичность имеет большее значение - он примерно так же токсичен, как свинец или ртуть.

Но уран не заслуживает того, чтобы его считали одним из гадостей периодической таблицы. Считается, что большая часть внутреннего тепла Земли происходит из-за разложения природных урановых и ториевых отложений.Возможно, тем, кто хочет улучшить общественный имидж ядерной энергетики, следует потребовать переименования геотермальных наземных тепловых насосов в ядерные?

Репутация этого элемента также была бы значительно лучше, если бы только урановое стекло было наиболее широко известным лицом элемента. Точно так же, как соли свинца добавляют в стекло для изготовления сверкающей хрустальной посуды, соли уранила придают стеклу очень красивый и полупрозрачный желто-зеленый цвет, хотя стеклодувы проводят эксперименты, чтобы получить широкий спектр цветов, похожих на драгоценные камни.Во время археологических раскопок около Неаполя в 1912 году была обнаружена небольшая зеленая мозаичная плитка, датированная 79 годом нашей эры, которая, как сообщалось, содержала уран, но эти утверждения не были подтверждены. Однако в начале 19 -го и начале 20 -го века он широко использовался в таре и рюмках. Если вы думаете, что у вас есть кусок, вы можете проверить его с помощью счетчика Гейгера или по характерной зеленой флуоресценции урана, когда он находится под УФ-лампой. Обычно считается, что из кусочков можно пить, но не рекомендуется сверлить в них отверстия и носить их.Справедливо.

Крис Смит

Или, предположительно, случайно съел это тоже. Это была химик Эдинбургского университета Полли Арнольд, объясняющая более мягкую сторону бронебойного элемента урана. На следующей неделе Андреа Селла познакомит нас с кристаллами с интригующими свойствами.

Андреа Селла

«Это потрясающий материал. Вы ДОЛЖНЫ это увидеть». Он вытащил из кармана флакон с образцом, содержащий потрясающие розовые кристаллы, соблазнительно блестящие."Вот это да!" Я сказал - химика всегда можно удивить красивыми кристаллическими продуктами. «Становится лучше». - загадочно сказал он. Он поманил меня в коридор. «Смотри», - сказал он. Когда кристаллы улавливали свет от новых люминесцентных ламп, свисающих с потолка, розовый цвет, казалось, становился все ярче и ярче. "Вот это да!" Я снова сказал. Мы переместили кристаллы обратно на солнечный свет, и цвет снова потускнел, и, перемещая кристаллы вперед и назад, они волшебным образом светились и тускнели.

Крис Смит

Но что они содержали? Что ж, ответ - это эрбий, и вы можете услышать об этом в выпуске «Химия в его элементе» на следующей неделе.Я Крис Смит, спасибо за внимание и до свидания.

(промо)

(конец промо)

,

Смотрите также