tìm hiểu về nguyên tố hiếm và phóng xạ urani

Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó.Urani-235 là đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch một cách tự nhiên.. Quá trình này tạo ra nhiệt trong các l

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

KHOA HÓA HỌC - -

MỞ ĐẦU 2

II NỘI DUNG 3

1 Tổng quan về nguyên tố Urani 3

1.1 Khái quát chung 3

1.2 Lịch sử 5

1.3 Phân bố 6

1.4 Đồng vị và phóng xạ 7

1.5 Các phương pháp làm giàu Urani 8

2 Tính chất và hợp chất của Urani 10

2.1 Tính chất 10

2.2 Hợp chất của Urani 11

2.2.1 Trạng thái ôxi hóa và ôxit 11

2.2.2 Hydrua, cacbic và nitrit 13

2.2.3 Halua 13

3 Ứng dụng 14

3.1 Quân sự 14

3.2 Dân dụng 16

3.3 Ảnh hưởng đến sức khỏe con người 17

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

II NỘI DUNG

1 Tổng quan về nguyên tố Urani

1.1 Khái quát chung

Hình 1.1 Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học

Urani là nguyên tố hóa học kim loại, màu xám bạc, có tính phóng xạ, hoáđen khi tiếp xúc với không khí, urani là một kim loại rất nặng, thuộc nhóm Actini,

có số nguyên tử là 92 trong bảng tuần hoàn, kí hiệu là U Trong một thời gian dài,urani là nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn Các đồng vị phóng xạ củaurani có số nơtron từ 144 đến 146 nhưng phổ biến nhất là các đồng vị urani-

238, urani-235 và urani-239 Tất cả đồng vị của urani đều không bền và có tínhphóng xạ yếu Urani có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2 trong các nguyên tố tựnhiên, xếp sau plutoni-244 Mật độ của urani lớn hơn mật độ của chì khoảng 70%,nhưng không đặc bằng vàng hay wolfram Urani có mặt trong tự nhiên với nồng độthấp khoảng vài ppm trong đất, đá và nước, và được sản xuất thương mại từcác khoáng sản chứa urani như uraninit

Trong tự nhiên, urani được tìm thấy ở dạng urani 238 (99,284%), urani

235 (0,711%),và một lượng rất nhỏ urani 234 (0,0058%) Urani phân rã rất chậmphát ra hạt anpha Chu kỳ bán rã của urani 238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của urani

235 là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất

Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó.Urani-235 là đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch một cách tự nhiên Urani 238

có thể phân hạch bằng nơtron nhanh, và là vật liệu làm giàu, có nghĩa là nó có thểđược chuyển đổi thành plutoni-239, một sản phẩm có thể phân hạch được trong lòphản ứng hạt nhân Đồng vị có thể phân hạch khác là urani-233 có thể được tạo ra

từ thori tự nhiên và cũng là vật liệu quan trong trong công nghệ hạt nhân Trong khiurani-238 có khả năng phân hạch tự phát thấp hoặc thậm chí bao gồm cả sự phânhạch bởi neutron nhanh, thì urani 235 và đồng vị urani-233 có tiết diện hiệu dụngphân hạch cao hơn nhiều so với các neutron chậm Khi nồng độ đủ, các đồng vị nàyduy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân ổn định Quá trình này tạo ra nhiệt trong các lòphản ứng hạt nhân và tạo ra vật liệu phân hạch dùng làm các vũ khí hạt nhân Uraninghèo(U-238) được dùng trong các đầu đạn đâm xuyên và vỏ xe bọc thép Tronglĩnh vực dân dụng, urani chủ yếu được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điệnhạt nhân Ngoài ra, urani còn được dùng làm chất nhuộm màu có sắc đỏ-cam đếnvàng chanh cho thủy tinh urani Nó cũng được dùng làm thuốc nhuộm màu và sắcbóng trong phim ảnh

Martin Heinrich Klaproth được công nhận là người đã phát hiện ra uranitrong khoáng vật pitchblend năm 1789 Ông đã đặt tên nguyên tố mới theo tên hành

tinh Uranus (Sao Thiên Vương) Trong khi đó, Eugène-Melchior Péligot là người

đầu tiên tách kim loại này và các tính chất phóng xạ của nó đã được AntoineBecquerel phát hiện năm 1896 Nghiên cứu của Enrico Fermi và các tác giả khácbắt đầu thực hiện năm 1934 đã đưa urani vào ứng dụng trong công nghiệp năng

lượng hạt nhân và trong quả bom nguyên tử mang tên Little Boy, quả bom này là vũ

khí hạt nhân đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh

là một kim loại mới được phát hiện (nhưng thực chất là bột của một ôxit urani) Ôngđặt tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus, một hành tinh vừa được WilliamHerschel phát hiện trước đó 8 năm.

Năm 1841, Eugène-Melchior Péligot, giáo sư hóa phân tích thuộc Trường KỹNghệ Quốc gia Pháp ở Paris đã tách được mẫu urani kim loại đầu tiên bằng cáchnung urani tetraclorua với kali

Antoine Henri Becquerel phát hiện ra tính phóng xạ khi sử dụng urani vàonăm 1896 Becquerel phát hiện ra tính chất này tại Paris bằng cách cho một mẫumuối urani K2UO2(SO4)2 trên một tấm phim để trong ngăn kéo và sau đó ông thấytấm phim bị mờ giống như 'bị phủ sương mù' Ông cho rằng có một dạng ánh sángkhông nhìn thấy được hoặc các tia phát ra từ urani tiếp xúc với tấm phim

Hình 1.3 Urani

1.3 Phân bố

Hình 1.4 Uraninit, hay Pitchblend, là quặng phổ biến được dùng để tách urani.

Urani là một nguyên tố tự nhiên, có thể tìm thấy trong tất cả các loại đất đá

và nước với hàm lượng thấp Urani cũng là một nguyên tố có số nguyên tử cao nhấtđược tìm thấy trong tự nhiên với hàm lượng nhất định trong vỏ Trái Đất và luôn ởdạng hợp chất với các nguyên tố khác Cùng với tất cả các nguyên tố khác có khốilượng nguyên tử cao hơn sắt, urani chỉ được tạo ra một cách tự nhiên trong các vụ

nổ siêu tân tinh Phân rã của urani, thori, và Kali-40 trong vỏ Trái Đất được xem lànguồn cung cấp nhiệt chính, điều này giữ cho lõi ngoài ở dạng lỏng và tạo ra cácdòng đối lưu manti

Hàm lượng urani trung bình trong vỏ Trái Đất là từ 2 đến 4 ppm, tươngđương gấp 40 lần so với nguyên tố phổ biến là bạc Theo tính toán thì vỏ Trái Đất

từ bề mặt đến độ sâu 25 km chứa 1017 kg urani trong khi ở cácđại dương có thể chứa

1.4 Đồng vị và phóng xạ

Urani tự nhiên bao gồm ba đồng vị chính: urani-238 (99,28%), urani-235(0,71%), và urani 234 (0,0054%) Tất cả 3 đồng vị này đều phóng xạ, phát racác hạt anpha với ngoại lệ là ba đồng vị trên đều có xác suất phân hạch tự nhiên nhỏhơn là phát xạ anpha

Urani-238 là đồng vị ổn định nhất của urani, có chu kỳ bán rã khoảng 4.468

tỉ năm, gần bằng tuổi của Trái Đất Urani-235 có chu kỳ bán rã khoảng 7,13 triệunăm và urani-234 có chu kỳ bán rã khoảng 2,48×105 năm Đối với urani tự nhiên,khoảng 49% tia anpha được phát ra từ mỗi U-238, 49% tương tự đối với U-234U(do sản phẩm sau được tạo thành từ sản phẩm trước) và khoảng 2% trong số đó doU-235 phát ra Khi Trái Đất còn trẻ, có thể 1/5 urani của Trái Đất là urani-235,nhưng tỷ lệ U-234 có thể thấp hơn nhiều so với hiện nay

- Urani-238 thường phát hạt α - trừ khi trải qua phân hạch tự nhiên - phân rãtheo phân rã hạt nhân urani, với tổng cộng 18 nguyên tố, tất cả chúng cuối cùng đềuphân rã thành chì-206 theo nhiều cách phân rã khác nhau

Chuỗi phân rã phóng xạ của U-235 có 15 nguyên tố, tất cả chúng phân rã đếncuối cùng đều tạo ra chì-207 Các hằng số phân rã trong các chuỗi này có ích để sosánh về các tỉ số của hạt nhân mẹ và hạt nhân con trong việc định tuổi bằng đồng vịphóng xạ

- Urani-234 là nguyên tố trong chuỗi phóng xạ Urani, và phân rã thành

chì-206 thông qua một chuỗi phân rã của các đồng vị có thời gian tồn tại tương đốingắn

- Urani-233 được tạo ra từ thori-232 khi bị bắn phá bằng neutron, thôngthường trong các lò phản ứng hạt nhân, và U-233 cũng có thể phân hạch Chuỗiphân rã của nó kết thúc bằng tali-205

- Urani-235 là một đồng vị quan trọng được dùng trong các lò phản ứng hạtnhân và trong vũ khí hạt nhân, do nó là đồng vị urani duy nhất tồn tại ở dạng tựnhiên trên Trái Đất có khả năng tự phân hạch tạo ra các sản phẩm phân hạch bằngcác neutron nhiệt

- Urani-238 không thể phân hạch Do đó, các

hạt nhân U-238 có thể hấp thụ một neutron để tạo ra

đồng vị phóng xạ urani-239 U-239 phân rã beta tạo

ra neptuni-239, đồng vị này cũng phân rã beta, sau đó

phân rã thành plutoni-239 chỉ trong vài ngày Pu-239

được dùng làm vật liệu phân hạch trong quả bom

nguyên tử đầu tiên trong vụ thử Trinity ngày 15 tháng 7 năm 1945 ở New Mexico

Urani là nguyên tố phóng xạ yếu, rất nặng (tỷ trọng 19) và cứng, bề mặt màuxám bạc bóng nhẵn, nhưng bị xỉn đi khi để tiếp xúc với oxy của không khí thànhdạng bột nó bị oxy hóa và bị đốt cháy nhanh chóng khi tiếp xúc với không khí.Urani ở thị trường có dạng thỏi để sẵn được đánh bóng, gọt dũa, cán mỏng (để tạo

ra thanh, ống, lá, dây )

1.5 Các phương pháp làm giàu Urani

Tách đồng vị là cách thức làm giàu urani-235, loại được dùng trong các vũkhí hạt nhân và trong hầu hết các nhà máy điện hạt nhân, ngoại trừ các lò phản ứnghạt nhân được làm lạnh bằng khí và các lò phản ứng hạt nhân nước nặng được điều

áp Trong các ứng dụng nói trên, việc làm giàu là để cho hầu hết các nơtron được

 Phương pháp ly tâm thể khí:

Hình 1.5 Các dãy máy li tâm khí được dùng để làm giàu quặng urani

Phương pháp này sử dụng một số lượng lớn các máy ly tâm được nối song songhoặc nối tiếp Mỗi máy ly tâm tạo ra lực ly tâm lớn để đẩy các nguyên tử khí chứaUranium 238 có trọng lượng lớn ra mép ngoài và thu nguyên tử khí chứa Uranium 235nhẹ hơn về phía trục.Theo các chuyên gia, hệ số tách ly của phương pháp này cao hơnnhiều so với phát xạ thể khí và tốn ít năng lượng hơn Hiện nay, kỹ thuật ly tâm thể khísản xuất ra khoảng 54% tổng khối lượng Uranium làm giàu trên thế giới

2 Tính chất và hợp chất của Urani

2.1 Tính chất

Hình 2.1 Phân hạch hạt nhân của urani-235

Khi được tách ra, urani là kim loại có màu trắng bạc, phóng xạ yếu, mềmhơn thép một chút, độ dương điện mạnh và độ dẫn diện kém Nó dẻo, dễ uốn và cótính thuận từ Kim loại urani có mật độ rất lớn, đặc hơn chì khoảng 70%, nhưng nhẹhơn vàng

Urani kim loại phản ứng với hầu hết các nguyên tố phi kim và các hợp chấtphi kim với mức phản ứng tăng theo nhiệt độ Axit clohidric và axit nitric hòa tanurani, nhưng các axit không có khả năng ôxy hóa phản ứng với nguyên tố này rấtchậm Khi chia nhỏ, urani có thể phản ứng với nước lạnh; khi tiếp xúc với khôngkhí, kim loại urani bị phủ một lớp ôxit urani màu đen Urani trong quặng được táchbằng phương pháp hóa học và chuyển đổi thành urani ôxit hoặc các dạng khác cóthể dùng trong công nghiệp

Urani-235 là đồng vị đầu tiên được tìm thấy có thể tự phân hạch Các đồng vịkhác có mặt trong tự nhiên có thể phân hạch nhưng không thể tự phân hạch Tùythuộc vào việc bắn phá bằng các neutron chậm, đồng vị urani-235 sẽ luôn phân chiathành 2 hạt nhân nhỏ hơn, giải phóng năng lượng liên kết hạt nhân Nếu các nơtronnày được hấp thụ bởi các hạt nhân urani-235 khác, thì chuỗi phân hạch hạt nhân sẽdiễn ra và có thể gây nổ trừ khi phản ứng được làm chậm lại bởi việc điều hòaneutron, bằng cách hấp thụ chúng Ít nhất 7 kg uranium-235 có thể sử dụng để tạothành một quả bom nguyên tử Little Boy là quả bom hạt nhân đầu tiên được sử

dụng trong chiến tranh dựa vào sự phân hạch urani, còn vụ nổ hạt nhân đầu tiên vàquả bom phá hủy Nagasaki (Fat Man) đều là bom plutoni

Kim loại urani có 3 dạng thù hình:

 α (trực thoi) bền với nhiệt độ lên đến 660 °C

Các mối quan hệ pha trong tổ hợp urani-ôxi mang tính phức tạp Các trạngthái ôxi hóa quan trọng nhất của urani là urani(IV) và urani(VI) với hai ôxit tươngứng là urani điôxit (UO2) và urani triôxit (UO3) Các urani ôxit khác gồm uranimonoxit (UO), diurani pentoxit (U2O5) và urani peroxit (UO4.2H2O) đều tồn tại

Các dạng urani ôxit phổ biến nhất là triurani octaoxit (U3O8) và UO2 Cả haiôxit nay đều ở dạng rắn, ít hoàn tan trong nước và tương đối bền trong nhiều kiểumôi trường Triurani octaoxit là hợp chất urani ổn định nhất và là dạng thường gặptrong tự nhiên (tùy thuộc vào các điều kiện) Urani điôxit là dạng được dùng làmnhiên liệu hạt nhân phổ biến Ở nhiệt độ thường, UO2 sẽ chuyển một cách từ từthành U3O8 Do tính ổn định, các urani ôxit thường được xem là dạng hợp chất dùng

để lưu trữ hoặc loại bỏ

b) Dịch hóa học

Hình 2.3 Các trạng thái ôxy hóa của urani: III, IV, V, VI

Các muối của tất cả bốn trạng thái ôxi hóa là dung dịch hòa tan trong nước

và có thể được nghiên cứu ở dạng dung dịch nước Các trạng thái ôxi hóa gồm

U3+ (đỏ), U4+ (lục), UO2+ (không bền) và UO22+ (vàng) Một vài hợp chất bán kimloại và rắn như UO và US tồn tại trong urani ở trạng thái ôxi hóa thông thường (II),nhưng không có các ion đơn tồn tại trong dung dịch ở trạng thái đó Các ion U3+ giảiphóng hydro từ nước vì vậy được xem là trạng thái không bền Ion UO22+ đặc trưngcho trạng thái ôxi hóa (VI) và tạo thành các hợp chất như uranyl cacbonat, uranylclorua và uranyl sulfat UO22+ cũng tạo phức với các chất tạo phức hữu cơ, chấtthường gặp nhất là uranyl axetat

c) Cacbonat

Trong khi một lượng lớn cacbonat không hòa tan trong nước, urani cacbonatthỉnh thoảng hòa tan trong nước Điều này xảy ra là do cation U(VI) có thể liên kếthai ôxit và 3 cacbonat hoặc nhiều hơn để tạo thành các phức anion

2.2.2 Hydrua, cacbic và nitrit

Kim loại urani nung ở nhiệt độ 250 đến 300°C (482 đến 572 °F) phản ứngvới hydro tạo thành urani hydrua Thậm chí ở nhiệt độ cao hơn có thể loại bỏ hydro.Tính chất này khiến cho urani hydrua trở thành một loại vật liệu tiện lợi để tạo rabột urani phản ứng, cùng với các hợp chất khác như cacbic, nitrit, và halua Haidạng tinh thể của urani hydrua tồn tại là: dạng α tồn tại ở nhiệt độ thấp còn dạng βđược tạo ra ở nhiệt độ trên 250°C

Urani cacbic và urani nitrit là các hợp chất bán kim loại tương đối trơ, tan rất

ít trong các loại axit, phản ứng với nước, và có thể đốt cháy trong không khí tạothành U3O8 Các cabic của urani gồm urani monocacbic (UC), urani đicacbic (UC2),

và điurani tricacbic (U2C3) Cả hai hợp chất UC và UC2 được tạo thành bằng cáchthêm cacbon vào urani nóng chảy hoặc urani kim loại tiếp xúc với cacbonmonoxit ở nhiệt độ cao U2C3, ổn định dưới 1800°C, được điều chế bằng cách phatrộn hỗp hợp nóng của UC và UC2 dưới áp lực cơ học Urani nitrit được điều chếbằng cách cho kim loại tác dụng với nitơ bao gồm urani mononitrit (UN), uraniđinitrit (UN2) và điurani trinitrit (U2N3)

2.2.3 Halua

Hình 2.4 Urani hexaflorua là một chất trung gian để tách urani-235

ra khỏi urani tự nhiên.

Tất cả urani florua được tạo ra từ urani tetraflorua (UF4); UF4 được điều chếbằng cách hydroclorua hóa urani điôxit UF4 được khử bằng hydro ở 1000°C tạo ra

urani triflorua (UF3) Trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp, phản ứngcủaUF4 rắn với urani hexaflorua (UF6) khí có thể tạo thành các florua trung giannhư U2F9, U4F17, và UF5

Ở nhiệt độ phòng, UF6 có áp suất hơi cao, nên nó được dùng vào quátrình khuếch tán khí để tách urani-235 từ đồng vị urani-238 Hợp chất này có thểđược điều chế từ urani đoxit và urani hydrua theo phản ứng:

UO2 + 4 HF → UF4 + 2 H2O (500 °C, thu nhiệt)

UF4 + F2 → UF6 (350 °C, thu nhiệt)

Kết quả tạo ra UF6, là chất rắn màu trắng, có tính hoạt động cao (bởi quátrình florua hóa), dễ thăng hoa (gần như ở dạng hơi lý tưởng), và là hợp chất dễ bayhơi nhất của urani

Một phương pháp điều chế urani tetraclorua (UCl4) là kết hợp trựctiếp clo với hoặc là kim loại urani hoặc urani hydrua Sự khử UCl4 bởi hydro tạo raurani triclorua (UCl3) trong khi các urani chứa số clo cao hơn được điều chế bởiphản ứng với clo bổ sung Tất cả urani clorua phản ứng với nước và không khí

Các muối urani bromua và iôtua được tạo ra từ phản ứng trực tiếpcủa brom và iot với urani hoặc bằng cách thêm UH3 vào các axit của nguyên tố này

Ví dụ như:UBr3, UBr4, UI3, và UI4 Urani oxyhalua có thể hòa tan trong nước,gồm UO2F2, UOCl2, UO2Cl2, và UO2Br2 Sự ổn định của các oxyhalua này giảmkhi khối lượng nguyên tử của thành phần halua tăng

3 Ứng dụng

3.1 Quân sự