Urani

Urani,  92U
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Urani, U
Phiên âm	/jʊˈreɪniəm/ ew-RAY-nee-əm
Hình dạng	Kim loại màu xám bạc, ăn mòn trong không khí tạo lớp vỏ oxit màu đen.
Urani trong bảng tuần hoàn
Nd ↑ U ↓ (Uqq) Protactini ← Urani → Np
Số nguyên tử (Z)	92
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (Ar)	238.02891(3)
Phân loại	họ actini
Nhóm, phân lớp	n/a, f
Chu kỳ	Chu kỳ 7
Cấu hình electron	[Rn] 5f3 6d1 7s2
mỗi lớp	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Tính chất vật lý
Trạng thái vật chất	Rắn
Nhiệt độ nóng chảy	1405.3 K ​(1132.2 °C, ​2070 °F)
Nhiệt độ sôi	4404 K ​(4131 °C, ​7468 °F)
Mật độ	19.1 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 17.3 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	9.14 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	417.1 kJ·mol−1
Nhiệt dung	27.665 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 2325 2564 2859 3234 3727 4402
Tính chất nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	6, 5, 4, 3, 2, 1 ​(ôxit cơ bản yếu)
Độ âm điện	1.38 (Thang Pauling)
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 156 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	196±7 pm
Bán kính van der Waals	186 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Trực thoi
Vận tốc âm thanh	que mỏng: 3155 m·s−1 (ở 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	13.9 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	27.5 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 0 °C: 0.280 µΩ·m
Tính chất từ	Thuận từ
Mô đun Young	208 GPa
Mô đun cắt	111 GPa
Mô đun khối	100 GPa
Hệ số Poisson	0.23
Số đăng ký CAS	7440-61-1
Lịch sử
Đặt tên	Theo tên Sao Thiên Vương
Phát hiện	Martin Heinrich Klaproth (1789)
Tách ra lần đầu	Eugène-Melchior Péligot (1841)
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Urani
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 232U Tổng hợp 68,9 năm α 5.414 228Th SF – (nhiều) 233U Vết 1.592×105 năm α 4.909 229Th SF 197.93 (nhiều) 234U 0.005% 2.455×105 năm α 4.859 230Th SF 197.78 (nhiều) 235U 0.720% 7.04×108 năm α 4.679 231Th SF 202.48 (nhiều) 236U Vết 2.342×107 năm α 4.572 232Th SF 201.82 (nhiều) 238U 99,2742% 4,468×109 năm α 4,270 234Th SF 205.87 (nhiều) β−β− – 238Pu 240U Vết 14,1 giờ β- – 240Np α – 236Th

Urani là nguyên tố hóa học kim loại màu trắng bạc thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử là 92 trong bảng tuần hoàn của các nguyên tố hóa học, được đặt tên theo tên của sao Thiên Vương (Uranus). Trong một thời gian dài, urani là nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn. Các đồng vị phóng xạ của urani 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 tính phóng xạ yếu. Urani có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2 trong các nguyên tố tự nhiên, xếp sau plutoni-244. Mật độ của nó lớn hơn mật độ của chì khoảng 70%, nhưng không đặc bằng vàng hay wolfram. Urani có mặt trong tự nhiên với nồng độ thấp khoảng vài ppm trong đất, đá và nước, và được sản xuất thương mại từ các 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 chậm phát ra hạt anpha. Chu kỳ bán rã của urani 238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của urani 235 là 704 tỉ năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất.

Một số ứng dụng hiện tại của urani chỉ dựa trên các đặc điểm hạt nhân của nó. Urani 235 có điểm khác biệt là đồng vị chỉ phân hạch một cách tự nhiên. Urani 238 có thể phân hạch bằng neotron nhanh, và là fertile, có nghĩa là nó có thể được chuyển đổi thành plutoni 239 có thể phân hạch được trong lò phản ứng hạt nhân. Một đồng vị có thể phân hạch khác, urani 233, có thể được tạo ra từ thori tự nhiên và cũng là vật liệu quan trong trong công nghệ hạt nhân. Trong khi urani 238 có khả năng phân hạch tự phát thấp hoặc thậm chí bao gồm cả sự phân hạch bằng neutron nhanh, thì urani 235 và mức độ thấp hơn là urani 233 có mặt cắt phân hạch cao hơn nhiều đối với các neutron chậm. Khi nồng độ đủ, các đồng vị này duy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân ổn định. Quá trình này tạo ra nhiệt trong các lò phản ứng hạt nhân và tạo ra vật liệu phân hạch dùng làm các vũ khí hạt nhâ. Urani nghèo (U-238) được dùng trong các kích động năng và vỏ xe bọc thép.

Urani được dùng làm chất nhuộm màu có sắc đỏ-cam đến vàng chanh cho thủy tinh urani. Nó cũng được dùng làm thuốc nhuộm màu và sắc bóng trong phim ảnh. Năm 1789, người ta công nhận việc phát hiện ra urani trong khoáng vật pitchblend là Martin Heinrich Klaproth, ông đã đặt tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus. Trong khi đó, Eugène-Melchior Péligot là người đầu tiên tách kim loại này và các tính chất phóng xạ của nó đã được Antoine Becquerel phát hiện năm 1896. Nghiên cứu của Enrico Fermi và các tác giả khác đã bắt đầu thực hiện năm 1934 đã đưa nó 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. Từ cuộc chạy đua vũ trang trong thời chiến tranh lạnh giữa Hoa Kỳ và Liên Xô đã cho ra hàng chục ngàn vũ khí hạt nhân sử dụng urani được làm giàu và plutoni có nguồn gốc từ urani. Việc an toàn của các vũ khí này và các vật liệu phân hạch của chúng sau sự tan rã của Liên Xô năm 1991 là một mối quan tâm đối với sức khỏe và an toàn của cộng đồng.

Lịch sử

Phân hạch tự nhiên thời tiền sử

Bài chi tiết: Lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên

Năm 1972, nhà vật lý người Pháp, Francis Perrin, phát hiện ra 15 lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên cổ không còn hoạt động trong 3 mỏ quặng riêng biệt ở mỏ Oklo, Gabon, tây Phi, hay còn gọi là các lò phản ứng hạt nhân hóa thạch Oklo. Mỏ có tuổi 1,7 tỉ năm; lúc đó, urani-235 chiếm khoảng 3% tổng lượng urani trên Trái Đất. Hàm lượng này lớn đủ để cho phép tạo ra một chuỗi phản ứng phân hạch hạt nhân diễn ra liên tục, là yếu tố chứng minh cho các điều kiện tồn tại của chúng. Khả năng các trầm tích xung quanh chứa các chất thải hạt nhân đã được chính quyền liên bang Hoa Kỳ trích dẫn để chứng minh cho các điều kiện bảo quản của kho chứa chất thải hạt nhân núi Yucca.

Sử dụng trước khi được phát hiện

Việc sử dụng urani ở dạng ôxit tự nhiên được xác định vào khoảng năm 79 TCN, khi đó nó được dùng để tạo màu vàng cho men gốm. Thủy tinh màu vàng có hàm lượng 1% urani ôxit được R. T. Gunther, Đại học Oxford tìm thấy năm 1912 trong một biệt thự La Mã thuộc mũi Posillipo, iịnh Napoli, Ý bởi by . Từ cuối thời Trung cổ, pitchblend được tách từ các mỏ bạc Habsburg ở Joachimsthal, Bohemia (nay là Jáchymov thuộc cộng hòa Czech) và được dùng làm chất tạo màu trong công nghiệp chế tạo thủy tinh ở địa phương. Vào đầu thế kỷ 19, nguồn quặng urani duy nhất trên thế giới là các mỏ này.

Phát hiện

Antoine Henri Becquerel discovered the phenomenon of radioactivity by exposing a photographic plate to uranium (1896).

Việc phát hiện ra nguyên tố này được ghi công cho nhà hóa học Đức Martin Heinrich Klaproth. Trong khi đang làm các thí nghiệm trong phòng ở Berlin năm 1789, Klaproth đã tạo ra hợp chất kết tủa màu vàng (giống natri diuranat) bằng cách hòa tan pitchblend trong axit nitric và sau đó trung hòa dung dịch bằng natri hydroxit. Klaproth cho rằng chất màu vàng đó là ôxit của một nguyên tố chưa được phát hiện và nung nó với than gỗ để thu một loại bột màu đen mà ông nghĩ rằng nó là một kim loại mới được phát hiện (nhưng thực chất là bột của một ôxit urani). Ông đặt tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus, một hành tinh vừa được William Herschel phát hiện trước đó 8 năm.

Năm 1841, Eugène-Melchior Péligot, Giáo sư hóa phân tích thuộc Conservatoire National des Arts et Métiers ở Paris đã tách ra được mẫu urani kim loại đầu tiên bằng cách nung urani tetraclorua với kali.

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

Nghiên cứu phân hạch

Enrico Fermi (bottom left) and the rest of the team that initiated the first artificial self-sustaining nuclear chain reaction (1942).

Cubes of uranium produced during the Manhattan project

Năm 1934, Enrico Fermi dẫn đầu nhóm nghiên cứu bắn phá urani bằng dòng neutron tạo ra các tia beta (electron hoặc positron sinh ra từ các nguyên tố; xem hạt beta). Các sản phẩm phân hạch đầu tiên bị nhầm lẫn là các nguyên tố mới có số nguyên tử là 93 và 94, theo đó Trưởng khoa của Rome, Orso Mario Corbino, tin rằng đó là ausoni và hesperi. Các thí nghiệm của Otto Hahn và Fritz Strassmann đã đưa đến việc phát hiện ra khả năng mà urani phân hạch thành các các nguyên tố nhẹ hơn và giải phóng năng lượng liên kết, trong phòng thí nghiệm của Hahn ở Berlin. Lise Meitner và cháu bà ta, nhà vật lý Otto Robert Frisch, đã công bố các giải thích về mặt vật lý vào tháng 2 năm 1939 và đặt tên quá trình này là 'phản ứng phân hạch hạt nhân'. Không lâu sau đó, Fermi giả thuyết rằng sự phân hạch của urani có thể giải phóng đủ số neutron để duy trì một phản ứng phân hạch. Năm 1939, giả thuyết này được xác nhận, và công trình sau đó phát hiện rằng trung bình có khoảng 2,5 neutron được giải phóng từ mỗi lần phân hạch của đồng vị urani hiếm 235. Công trình tiếp theo phát hiện rằng đồng vị phổ biến hơn là urani-238 có thể bị chuyển đổi thành plutoni, và đồng vị này, giống như urani235, cũng có khả năng phân hạch bằng các neutron nhiệt. Các phát hiện này đã thúc đểy việc chế tạo các vũ khí hạt nhân và điện hạt nhân ở một số quốc gia.

Ngày 2 tháng 12 năm 1942, trong một phần của dự án Manhattan, một nhóm nghiên cứu khác do Enrico Fermi dẫn đầu đã có thể bắt đầu thực hiện phản ứng hạt nhân dây chuyền nhân tạo đầu tiên, Chicago Pile-1. Công việc trong phòng thí nghiệm dưới sự phụ trách của Stagg Field ở Đại học Chicago, nhóm này đã tao ra các điều kiện cần thế để một phản ứng xảy ra bằng cách lấp 360 tấn than thỏi, 53 tấn urani ôxit, và 5,5 tấn urani kim loại.

Chế tạo bom

Đám mây nấm trên bầu trời Hiroshima sau vụ nổ quả bom nguyên tử nguồn gốc urani mang tên 'Little Boy' (1945)

Hai loại bom nguyên tử chính được Hoa Kỳ chế tạo trong chiến tranh thế giới lần thứ 2 là: loại dựa trên nguyên liệu urani (tên "Little Boy") mà vật liệu phân hạch của nó là urani làm giàu rất cao, và loại dựa trên nguyên liệu plutoni (xem thử nghiệm Trinity và "Fat Man") theo đó plutoni được sản xuất từ urani-238. Loại dùng urani là vũ khí hạt nhân đầu tiên được sử dụng trong chiến tranh khi nó được thả xuống thành phố Hiroshima, Nhật Bản ngày 6 tháng 8 năm 1945. Vụ nổ tương đươong với 12.500 tấn TNT, sức công phá và làn sóng nhiệt của quả bom phá hủy gần 50.000 tòa nhà và gây thiệt mạng gần 75.000 người (xem Vụ ném bom nguyên tử xuống Hiroshima và Nagasaki). Ban đầu người ta tin rằng urani khá hiếm, và sự phổ biến vũ khí hạt nhân có thể tránh được bằng cách đơn giản là mua tất cả urani trên thị trường, nhưng trong vòng một thập kỷ qua có nhiều mỏ urani được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới.

Dùng trong lò phản ứng hạt nhân

Four light bulbs lit with electricity generated from the first artificial electricity-producing nuclear reactor, EBR-I (1951)

Lò phản ứng hạt nhân than chì X-10 ở Phòng thí nghiệm Oak Ridge (ORNL) ở Oak Ridge, Tennessee, trước đây còn gọi là Clinton Pile và X-10 Pile, là lò phản ứng hạt nhân thứ 2 trên thế giới (sau lò phản ứng Chicago Pile của Enrico Fermi) và là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được thiết kế và xây dựng để vận hành liên tục. Experimental Breeder Reactor I ở Phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Idaho gần Arco, Idaho là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên sản xuất điện vào ngày 20 tháng 12 năm 1951. Ban đầu, bốn bóng đến 150W được thấp sáng từ lò phản ứng, đến cuối cùng những cải tiến đã nâng sản lượng điện lên hết công suất thiết kế (sau đó, thị trấn Arco trở thành thị trấn đầu tiên trên thế giới sử dụng toàn bộ điện phát ra từ năng lượng hạt nhân). Nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới, Obninsk ở Liên Xô bắt đầu phát điện bằng lò phản ứng AM-1 vào ngày 27 tháng 6 năm 1954. Các nhà máy điện hạt nhân khác vào thời đó gồm: Calder Hall ở Anh phát điện ngày 17 tháng 10 năm 1956 và nhà máy điễn hạt nhân Shippingport ở Pennsylvania phát điện ngày 26 tháng 5 năm 1958. Năng lượng hạt nhân được dùng đầu tiên cho tàu ngầm năm 1954, thuộc USS Nautilus.

Ô nhiễm và di sản từ thời chiến tranh lạnh

U.S. and USSR/Russian nuclear weapons stockpiles, 1945–2005

Các vụ thử hạt nhân trên mặt đất do Liên Xô và Hoa Kỳ thực hiện vào thập niên 1950 và đầu thập niên 1960, và Pháp thực hiện vào thập niên 1979 và 1980 đã làm gia tăng đáng kể lượng bụi hạt nhân, gồm các đồng vị con của urani, trên thế giới. Thêm vào đó là bụi và ô nhiễm gây ra từ các vụ tai nạn hạt nhân.

Những người khai thác mỏ urani có khả năng bị ung thư cao hơn. Ví dụ, nguy cơ ung thư phổ vượt trội ở những thợ mỏ urani người Navajo đã được ghi nhận và liên hệ với nghề nghiệp của họ. Đạo luật bồi thường khi tiếp xúc với phóng xạ của Hoa Kỳ (Radiation Exposure Compensation Act) năm 1990, yêu cầu trả tiền bồi thường 100.000 USD cho các thợ mỏ urani được chuẩn đón bị ung thư hoặc các bệnh đường hô hấp khác.

Trong thời kỳ chiến tranh lạnh giữa Hoa Kỳ và Lên Xô, những kho dự trữ urani khổng lồ chứa hàng chục ngàn vũ khí hạt nhân dùng urani làm giàu và plutoni sản xuất từ urani. Từ khi Liên Xô sụp đổ năm 1991, ước tính 540 tấn vũ khí dùng urani được làm giàu cao (đủ để sản xuất khoảng 40.000 đầu đạn hạt nhân) được cất giữ trong các cơ sở thiếu an toàn ở Nga và một số nước thuộc Liên Xô trước kia. Từ năm 1993 đến 2005, cảnh sát ở châu Á, châu Âu, và Nam Mỹ đã có ít nhất 16 lần ngăn chặn các chuyến hàng cung cấp urani hay plutoni nhập lậu, đa số trong đó có nguồn gốc từ các nước thuộc Liên Xô cũ. Từ năm 1993 đến 2005, chương trình kiểm toán, kiểm soát và bảo vệ vật liệu (Material Protection, Control, and Accounting Program) do chính phủ liêng bang Hòa Kỳ điều phối đã tiêu tốn khoảng 550 triệu USD để giúp an toàn cho các kho vũ khí urani và plutoni ở Nga.

Tính chất

Phân hạch hạt nhân của urani-235

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

Urani kim loại phản ứng với hầu hết các nguyên tố phi kim loại và các hợp chất của chúng, với độ hoạt động tăng theo nhiệt độ. Axit clohidric và axit nitric hòa tan urani, nhưng các axit không có khả năng ôxy hóa phản ứng với nguyên tố này rất chậm. Khi chia nhỏ, nó có thể phản ứng với nước lạnh; khi tiếp xúc với không khí, kim loại urani bị phủ một lớp ôxit urani màu đen. Urani trong quặng được tách bằng phương pháp hóa học và chuyển đổi thành urani ôxit hoặc các dạng khác có thể dùng trong công nghiệp.

Urani-235 là đồng vị đầu tiên được tìm thấy có thể tự phân hạch. Các đồng vị khác có mặt trong tự nhiên có thể phân hạch nhưng không thể tự phân hạch. Tùy thuộc vào việc bắn phá bằng các neutron chậm, đồng vị urani-235 sẽ luôn phân chia thành 2 hạt nhân nhỏ hơn, giả phóng năng lượng liên kết hạt nhân và sinh nhiều neutron hơn. Nếu các neutron này được hấp thụ bởi các hạt nhân urani-235 khác, thì chuỗi phân hạch hạt nhân sẽ diễn ra và có thể gây nổ trừ khi phản ứng được làm chậm lại bởi việc điều hòa neutron, bằng cách hấp thụ chúng.

Kim loại urani có 3 dạng thù hình:

• α (trực thoi) bền với nhiệt độ lên đến 660 °C
• β (bốn phương) bền ở nhiệt độ từ 660 °C đến 760 °C
• γ (lập phương tâm khối) bền từ 760 °C đến điểm nóng chảy đây là trạng thái dẻo và dễ uốn nhất.

Các hợp chất

Trạng thái ôxi hóa và ôxit

Ôxit

Triuranium octaoxide (diagram pictured) and uranium dioxide are the two most common uranium oxides.

Bánh urani vàng Calcined là sản phẩm được sản xuất công nghiệp chứa các nhóm urani có trạng thái ôxi hóa khác nhau từ thấp nhất đến cao nhất. Các hạt có thời gian lưu giữ ngắn trong lò nung sẽ ít bị ôxi hóa hơn những hạt có thời gian lưu giữ dài hơn. Hàm lượng urani thường được tính theo U
₃O
₈, kể từ những ngày thực hiện dự án Manhattan, khi đó U
₃O
₈ đã được sử dụng làm tiêu chuẩn báo cáo trong hóa phân tích.

Các mối quan hệ pha trong tổ hợp urani-ôxi là phức tạp. Các trạng thái ôxi hóa quan trọng nhất của urani là urani(IV) và urani(VI), và hai ôxi tương ứng của chúng là urani điôxit (UO
₂) và urani triôxit (UO
₃). Các urani ôxit khác gồm urani monoxit (UO), diurani pentoxit (U
₂O
₅), và urani peroxit (UO
₄·2H
₂O)cũng tồn tại.

Các dạng urani ôxit phổ biến nhất là triurani octaoxit (U
₃O
₈) và UO
₂. Cả hai ôxit nay đều ở dạng rắn, ít hoàn tan trong nước, và tương đối bền trong nhiều kiểu môi trường. Triurani octaoxit là hợp chất (tùy thuộc vào các điều kiện) uranii ổn định nhất và là dạng thường gặp trong tự nhiên. Urani điôxit là dạng được dùng làm nhiên liệu hạt nhân phổ biến. Ở nhiệt độ thường, UO
₂ sẽ chuyển một cách từ từ thành U
₃O
₈. Do tính ổn định của chúng, các urani ôxit thường được xem là dạng hợp chất dùng để lưu trữ hoặc thải.

Dịch hóa học

Uranium in its oxidation states 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 U³⁺ (đỏ), U⁴⁺ (lục), UO⁺
₂ (không bền), và UO
₂²⁺ (vàng). Một vài hợp chất bán kim loại và rắn như UO và US, urani ở trạng thái ôxi hóa (II), nhưng không có các ion đơn giản được biết là tồn tại trong dung dịch ở trạng thái đó. Các ion U³⁺ giải phóng hydro từ nước và được xem là trạng thái không bền. Ion UO²⁺
₂ đặc trưng cho trạng thái ôxi hóa (VI) và tạo thành các hợp chất như uranyl cacbonat, uranyl clorua và uranyl sulfat. UO²⁺
₂ cũng tạo phức với các chất tạo phức hữu cơ, chất thường gặp nhất là uranyl axetat.

Cacbonat

The Pourbaix diagram for uranium in a non-complexing aqueous medium (e.g. perchloric acid / sodium hydroxide).

The Pourbaix diagram for uranium in carbonate solution

Các tương tác của các ion cacbonat với urani(VI) làm cho biểu đồ Pourbaix thay đổi mạnh khi giá trị trung bình bị thay đổi từ nước sang dung dịch chứa cacbonat. Trong khi một lượng lớn cacbonat không hòa tan trong nước, urani cacbonat thỉnh thoảng hòa tan trong nước. Điều này xả ra là so cation U(VI) có thể liên kết hai ôxit và 3 hoặc nhiều hơn cacbonat tạo thành các phức anion.

Ảnh hưởng của pH

A diagram showing the relative concentrations of the different chemical forms of uranium in a non-complexing aqueous medium (e.g. perchloric acid / sodium hydroxide).

A diagram showing the relative concentrations of the different chemical forms of uranium in an aqueous carbonate solution.

Các biểu đồ thành phần của urani minh họa cho đặc điểm này: khi pH của dung dịch urani(VI)tăng thì urnai bị chuyển thành urani ôxit ngậm nước và với giá trị pH cao nó chuyển thành phức hydroxit anion.

Khi cho thêm cacbonat vao, urani bị chuyển thành một dãi các phức cacbonat nếu pH tăng. Một hảnh hưởng của các phản ứng này là tăng độ hòa tan của urani khi giá trị pH nằm trong khoảng 6 đến 8, một thực tế là có sự ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định lâu dài của các nhiên liệu hạt nhân urani ôxit đã qua sử dụng.

Hydrua, cacbic và nitrit

Kim loại urani nung ở nhiệt độ 250 đến 300 °C (482 đến 572 °F) phản ứng với hydro tạo thành urani hydrua. Thậm chí ở nhiệt độ cao hơn có thể loại bỏ hydro. Tính chất này làm cho urani hydrua là vật liệu tiện lợi để tạo ra các bột urani hoạt động cùng với các hợp chất khác như cacbic, nitrit, và halua. Hai dạng tinh thể của urani hydrua tồn tại là: dạng α tồn tại ở nhiệt độ thấp còn dạng β được 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 axit, phản ứng với nước, và có thể đốt cháy trong không khí tạo thành U
₃O
₈. Các cabic của urani gồm urani monocacbic (UC), urani đicacbic (UC
₂), và điurani tricacbic (U
₂C
₃). Cả hai hợp chất UC và UC
₂ được tạo thành bằng cách thêm cacbon vào urani nóng chảy hoặc urani kim loại tiếp xúc với cacbon monoxit ở nhiệt độ cao. Tính ổn định dưới 1800 °C, U
₂C
₃ được điều chế bằng cách pha trộn hỗp hợp nóng của UC và UC
₂ dưới áp lực cơ học. Urani nitrit được điều chế bằng cách cho kim loại tác dụng với nitơ bao gồm urani mononitrit (UN), urani đinitrit (UN
₂), và điurani trinitrit (U
₂N
₃).

Halua

Uranium hexafluoride is the feedstock used to separate uranium-235 from natural uranium.

Tất cả urani florua được tạo ra từ urani tetraflorua (UF
₄); bản thân UF
₄ được điều chế bằng cách hydroclorua hóa urani điôxit. UF
₄ được khử bằng hydro ở 1000 °C tạo ra urani triflorua (UF
₃). Trong các điều kiện nhiệt độ và sáp suất thích hợp, phản ứng của UF
₄ rắn với urani hexaflorua (UF
₆) khí có thể tạo thành các florua trung gian nhử U
₂F
₉, U
₄F
₁₇, và UF
₅.

Ở nhiệt độ phòng, UF
₆ có áp suất hơi cao, nên nó được dùng vào quá trình khuếch tán khí để tách urani-235 từ đồng vị urani-238. Hợp chất này có thể được điều chế từ urani đoxit và urani hydrua theo phản ứng:

UO
₂ + 4 HF → UF
₄ + 2 H
₂O (500 °C, thu nhiệt)

UF
₄ + F
₂ → UF
₆ (350 °C, thu nhiệt)

Kết quả tạo ra UF
₆, là chất rắn màu trắng, có tính hoạt động cao (bởi quá trình florua hóa), dễ thăng hoa (gần như ở dạng hơi lý tưởng), và là hợp chất dễ bay hơi nhất của urani.

Một phương pháp điều chế urani tetraclorua (UCl
₄) là kết hợp trực tiếp clo với hoặc là kim loại urani hoặc urani hydrua. Sự khử UCl
₄ bởi hydro tạo ra urani triclorua (UCl
₃) trong khi các urani chứa số clo cao hơn được điều chế bởi phản ứng với clo bổ sung. Tất cả urani clorua phản ứng với nước và không khí.

Các muối urani bromua và iôtua đươc tạo ra từ phản ứng trực tiếp của brom và iot với urani hoặc bằng cách thêm UH
₃ vào các axit của nguyên tố này. Ví dụ như: UBr
₃, UBr
₄, UI
₃, và UI
₄. Urani oxyhalua có thể hòa tan trong nước, gồm UO
₂F
₂, UOCl
₂, UO
₂Cl
₂, và UO
₂Br
₂. Sự ổn định của các oxyhalua này giảm khi khối lượng nguyên tử của thành phần halua tăng.

Đồng vị

Nồng độ trong tự nhiên

Bài chi tiết: Đồng vị urani

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 ra các hạt anpha với ngoại lệ là tất cả chúng đều có ít sác xuất nhỏ phân hạch tự nhiên hơn 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 triệu năm, 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, và cũng như 49% bởi U-234U (do sản phẩm sau được tạo thành từ sản phẩm trước) và khoảng 2,0% trong số đó từ U-235. Khi Trái Đất còn trẻ, có thể 1/5 urani của nó 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 nó trải qua phân hạch tự nhiên - phân rã theo phân rã hạt nhân urani có 18 nguyên tố, tất cả chúng cuối cùng đều phân rã thành chì-206, theo nhiều cách phân rã khác nhau.

Chuỗi phân rã phóng xạ của U-235 có 15 thành viên, tất cả chúng phân rã đến cuối cùng đều tạo ra chì-207. Các hằng số phân rã trong các chuỗi này có ích khi so sánh về các tỉ số của hạt nhân mẹ và hạt nhân con trong việc định tuổi bằng đồng vị phóng xạ.

Urani-234 là thành viên trong chuỗi phóng xạ Urani, và nó phân rã thành chì-206 thông qua một chuỗi phân rã của các đồng vị có thời gian sống tương đối ngắn.

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

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

Urani-238 không có thể phân hạch nhưng nó là một fertile isotope, bởi vì sau khi kích hoạt neutron nó có thể tạo ra plutoni-239, là một đồng vị có thể phân hạch khác. Do đó, các hạt nhân U-238 có thể hấp thụ một neutron để tại 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 nó 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.

Làm giàu

Bài chi tiết: Urani được làm giàu

Cascades of gas centrifuges are used to enrich uranium ore to concentrate its fissionable isotopes.

Tách đồng vị là cách thức làm giàu urani-235, loại được dùng trong các vũ khí hạt nhân và trong hầu hết các nhà máy điện hạt nhân, ngoại trừ các lò phản ứng hạt 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 neutron được giải phóng từ sự phân hạch nguyên tử urani-235 phải ảnh hưởng đến các nguyên tử urani-235 khác để duy trì chuỗi phản ứng hạt nhân. Nồng độ và số lượng urani-235 cần thiết để đạt được yêu cầu này được gọi là khối lượng tới hạn ('critical mass').

Khi đề cập đến urani được làm giàu, thì tỉ lệ urani-235 thường nằm trong khoảng 3% đến 5%. Quá trình làm giàu tạo ra một lượng rất lớn urani nghèo (depleted urani) do đã tách hết urani-235, tức tỷ lệ urani-238 được gia tăng tương ứng. Khi đề cập đến việc làm nghèo urani, tức nồng độ đồng vị urani-235 không quá 0,3%. Giá của urani đã tăng kể từ năm 2001, vì thế các sản phẩm đuôi (sản phẩm thải ra sau quá trình làm giàu) được giàm giàu chứa hơn 0,35% urani-235 cũng được chú ý đến cho quá trình tái làm giàu, đều này đã làm giá của urani hexaforit-nghèo trên ngưỡng 130 USD/kg vào thời điểm tháng 7 năm 2007 so với 5 USD vào năm 2001.

Urani hexaflorua (UF
₆) khí được tách ra có khối lượng phân tử khác nhau giữa ²³⁵UF₆ và ²³⁸UF₆ dùng máy ly tâm vận tốc lớn được gọi là quá trình xử lý ly tâm khí. Quá trình này là rẻ nhất và được sử dụng rộng rãi cho việc làm giàu. Quá trình khuếch tán khí là phương pháp hàng đầu làm giàm urani và được sử dụng trong dự án Manhattan. Trong quá trình này, urnai hexaforua được khuếch tán một cách riêng biệt thông qua chất điệm là bạc-kẽm, và các đồng vị khác nhau của urani được tách ra theo tốc độ khuếch tán (vì urani-238 nặng hơn nên nó khuếch tán chậm hơn urani-235). Phương pháp tách đồng vị laser phân tử ứng dụng tia laser có năng lượng nhất định để cắt liên kết giữa urani-235 và flo. Quá trinh này làm cho urani-238 liên kết với flo và cho phép kim loại urani-235 kết tủa từ dung dịch. Một phương pháp làm giàu bằng laser khác là tách đồng vị hơi nguyên tử bằng laser (atomic vapor laser isotope separation) và ứng dụng các tia laser điều hưởng được như laser màu nhuộm. Một phương pháp khác được sử dụng là khuếch tán nhiệt chất lỏng.

Urani và con người

Một người có thể tiếp xúc với urani (hoặc các hạt nhân con của nó như radon) qua việc hít bụi trong không khí hoặc qua các thực phẩm hoặc nước bị nhiễm chúng. Hàm lượng urani trong không khí thường rất nhỏ; tuy nhiên, đối với những người làm việc trong các nhà máy sản xuất phân phốt phát, hoặc sống gần các nhà máy sản xuất hặc thử nghiệm vũ khí hạt nhân, hoặc sống hay làm việc gần những nơi từng có các trận đánh sử dụng vũ khí hạt nhân, hay gần nhà máy nhiệt điện dùng than, các cơ sở khai thác hoặc xử lý quặng urani, hoặc làm giàu uran, có thể tăng nguy cơ phơi nhiễm urani. Các nhà hoặc các cấu trúc trên các mỏ urani (hoặc tự nhiên hoặc nhân tạo) có thể tăng ảnh hưởng đối với khí radon.

Hầu hết urani đi vào cơ thể qua đường thực phẩm được bài tiết qua đường tiêu hóa. Chỉ có 0,5% được hấp thụ khi ở các dạng không hòa tan, như các ôxit của nó, ngược lại việc hấp thụ các ion uranyl có thể nhiều hơn lên đến 5%. Tuy nhiên, các hợp chất urani hòa tan có khuynh hướng đi qua cơ thể một cách nhanh chóng trong khi các hợp chất không hòa tan đặt biệt khi đi vào cơ thể ở dạng bụi trong phổi sẽ gây những biến chứng nghiêm trọng. Sau khi vào máu, urani đã được hấp thụ có khuynh hướng tích tụ sinh học và tồn tại nhiều năm trong các tế bài xương do ái lực của urani với phốt phát.

Urani không liên kết ở dạng các ion uranyl, các ion này tích tụ trong xương, gan, thận, và các tế bào sinh sản. Urani có thể được làm sạch từ các bề mặt thép và các tầng chứa nước.

Ảnh hưởng

Chức năng thông thường của thận, não, gan, tim, và các hệ cơ quan khác trong cơ thể có thể bị ảnh hưởng khi tiếp xúc với urani, bởi vì ngoài các phóng xạ rất yếu, urani còn là kim loại độc. Urani cũng là chất độc có khả năng tái sản xuất?. Các ảnh hưởng phóng xạ phổ biến ở mức độ địa phương là phóng xạ anpha, một kiểu phân rả ban đầu của U-238, có thời gian tồn tại rất ngắn, và sẽ không xuyên qua da. Các ion uranyl (UO⁺

₂), như ở dạng uranium trioxit hay uranyl nitrate và các hợp chất hóa trị sáu khác, có thể gây ra những dị tật bẩm sinh và phá hủy hệ miễn dịch của các con thú trong phòng thí nghiệm. Khi CDC xuất bản một nghiên cứu cho thất không có ung thư ở người được ghi nhận khi tiếp xúc với urani tự nhiên hoặc urani đã bị làm nghèo, tiếp xúc với urani và các sản phẩm phân rã của nó đặc biệt là radon, được biết là gây ra những mối đe dọa đáng kể về sức khỏe.

Mặc dù phơi nhiễm urani tình cờ qua đường hô hấp với urani hexafluorua nồng độ cao sẽ gây tử vong ở người, nguyên nhân chính gây tử vong liên quan đến việc tạo ra axit hdrofuolric có độc tính cao và các muối uranyl fluorua hơn là bản thân urani. Urani là một chất tự bốc cháy nên khi ở dạng hạt mịn nó có nguy cơ cháy trong không khí ở nhiệt độ phòng.

Tài liệu về độc học urani 2004
Hệ cơ quan	Nghiên cứu trên người	Nghiên cứu trên động vật	Trong phòng thí nghiệm
Thận	Tăng mức bài tiết protein, urinary catalase and diuresis	Phá hủy các ống to proximal convoluted tubules, necrotic cells cast from tubular epithelium, glomerular changes (hư thận)	Không nghiên cứu
Não/CNS	Decreased performance on neurocognitive tests	Acute cholinergic toxicity; Dose-dependent accumulation in cortex, midbrain, and vermis; Electrophysiological changes in hippocampus	Không nghiên cứu
DNA	Tăng khả năng ung thư	Tăng biến dị (ở chuột) và phát triển các khối u	Binucleated cells with micronuclei, Inhibition of cell cycle kinetics and proliferation; Sister chromatid induction, tumorigenic phenotype
Xương/cơ	Không nghiên cứu	Inhibition of periodontal bone formation; and alveolar wound healing	Không nghiên cứu
Hệ sinh dục	Uranium miners have more first born female children	Moderate to severe focal tubular atrophy; vacuolization of Leydig cells	Không nghiên cứu
Phổi/hệ hô hấp	No adverse health effects reported	Severe nasal congestion and hemorrage, lung lesions and fibrosis, edema and swelling, ung thư phổi	Không nghiên cứu
Hệ tiêu hóa	Nôn mữa, tiêu chảy, bệnh bạch niệu	không có dữ liệu	không có dữ liệu
Gan	Không có những phản ứng được quan sát khi tiếp xúc với liều thử nghiệm	Gan nhiễm mở, hoại tử	Không nghiên cứu
Da	Không xử lý phơi nhiễm	Swollen vacuolated epidermal cells, damage to hair follicles and sebaceous glands	Không nghiên cứu
Tissues surrounding embedded DU fragments	Elevated uranium urine concentrations	Elevated uranium urine concentrations, perturbations in biochemical and neuropsychological testing	Không nghiên cứu
Hệ miễn dịch	Chronic fatigue, rash, ear and eye infections, hair and weight loss, cough. May be due to combined chemical exposure rather than DU alone	Không nghiên cứu	Không nghiên cứu
Mắt	Không nghiên cứu	Conjunctivitis, irritation inflammation, edema, ulceration of conjunctival sacs	Không nghiên cứu
Máu	Không nghiên cứu	Decrease in RBC count and hemoglobin concentration	Không nghiên cứu
Tim mạch	Myocarditis resulting from the uranium ingestion, which ended 6 months after ingestion	Không ảnh hưởng	Không nghiên cứu

Thực trạng ô nhiễm phóng xạ Urani

Theo uỷ ban năng lượng Hoa Kỳ, phóng xạ urani ở các nhà máy điện hạt nhân, kho vũ khí, trung tâm nghiên cứu và các khu vực trước kia có xảy ra nổ hạt nhân như Hiroshima, Nagasaki, Chernobyl v.v hằng năm làm nhiễm độc 2.500 tỉ lít nước ngầm của thế giới. Nguồn nước nhiễm phóng xạ này sau đó sẽ ngấm vào cây cối, động vật uống phải, hoặc hoà tan vào nguồn nước sinh hoạt của con người và cuối cùng tích luỹ vào cơ thể.

Đây chính là nguyên nhân gây nên những đột biến dị dạng, bệnh tật,… cho các cơ thể sống tự nhiên. Cũng theo điều tra của uỷ ban này, thực chất, lượng phóng xạ rò rỉ trong không khí, không gây nguy hiểm nhiều cho con người bằng lượng phóng xạ vào nguồn nước. Bởi vì, trong không khí – các tia phóng xạ chỉ có một không gian tác động rất hạn chế và giảm dần theo thời gian; còn trong nước, nó có thể đi xa hơn và gây độc cho những vùng lân cận. Không những thế ảnh hưởng của chúng ngày càng tăng theo thời gian do sự tích tụ phóng xạ trong nước ngày càng lớn hơn. Vì vậy, khi Hiroshima và Chernobyl bị ảnh hưởng trực tiếp của phóng xạ hạt nhân nhưng những vùng rất xa ở xung quanh cũng bị tác động theo, do nguồn nước ngầm liên thông giữa các vùng. Người ta đã phát hiện những triệu chứng nhiễm độc phóng xạ trên cơ thể con người sống ở những vùng rất xa hai trung tâm phóng xạ này, dù theo lý thuyết thì những vùng đó không thể bị ảnh hưởng vì nằm quá tầm hoạt động của các tia phóng xạ sau các vụ nổ. Tuy nhiên, kết quả thực tế cho thấy chúng vẫn bị ảnh hưởng….

Xử lý ô nhiễm phóng xạ urani bằng vi khuẩn

Trong hơn một thập niên qua, các nhà khoa học thuộc trường Đại học Columbia (Hoa Kỳ) nghiên cứu đã tìm ra loại siêu vi khuẩn có khả năng giúp con người xử lý được các phân tử urani phóng xạ. Tên khoa học của loài vi khuẩn đó là Tshewanella oneidensis thuộc chi Tshewanella. Trong đời sống tự nhiên, chúng liên kết thành các tập đoàn không bền vững có cấu trúc giống như những chuỗi hạt ngọc trai mà mỗi hạt ngọc trai là một vi khuẩn. Mỗi chuỗi như vậy dài 5 mm, các chuỗi được liên kết lại với nhau tạo nên một mạng lưới chằng chịt.

Đây là một chủng kị khí không bắt buộc khi không có ôxy, chúng sẽ sử dụng nguồn năng lượng cung cấp từ các phân tử phóng xạ. Theo đó chúng sẽ tiến hành tách lấy các điện tử của phân tử urani có khả năng gây độc cực mạnh cho nguồn nước vì chúng tan vô hạn trong nước thì uranit trở thành phân tử lành tính. Chúng còn được gọi là điôxít urani (UO₂), không tan trong nước và khá trơ về mặt hoá học. Vì vậy, người ta có thể thu hồi chúng bằng các phương pháp lọc truyền thống hay bằng các cột trao đổi iôn. Khi hoạt động Tshewanella oneidensis sẽ tiết ra một loại chất nhờn khô đi, nó sẽ tạo thành một lớp vỏ cứng ngăn cản sự rò rỉ của urani hoà tan ở bên trong ra bên ngoài, điều này cũng giống như Tshewanella oneidensis cũng tạo ra một nhà tù để nhốt urani lại vậy.

Tài liệu

• Emsley, John (2001). “Uranium”. Nature's Building Blocks: An A to Z Guide to the Elements. Oxford: Oxford University Press. tr. 476–482. ISBN 0198503407.
• Seaborg, Glenn T. (1968). “Uranium”. The Encyclopedia of the Chemical Elements. Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation. tr. 773–786. LCCCN 68-29938.

Liên kết ngoài

• “Public Health Statement for Uranium”. CDC.
• Uranium Resources and Nuclear Energy
• U.S. EPA: Radiation Information for Uranium
• "What is Uranium?" from World Nuclear Association
• Nuclear fuel data and analysis from the U.S. Energy Information Administration
• Current market price of uranium
• World Uranium deposit maps
• Annotated bibliography for uranium from the Alsos Digital Library
• NLM Hazardous Substances Databank—Uranium, Radioactive
• 'Pac-Man' molecule chews up uranium contamination - earth - 17 January 2008 - New Scientist Environment
• Mining Uranium at Namibia's Langer Heinrich Mine
• Uranium futures market
• World Nuclear News
• ATSDR Case Studies in Environmental Medicine: Uranium Toxicity U.S. Department of Health and Human Services

Bản mẫu:Liên kết bài chất lượng tốt