Urânio

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Urânio,  92 U
Two hands in brown gloves holding a blotched gray disk with a number 2068 hand-written on it
Urânio
Pronúncia/ J ʊər n i ə m / ( yoor- AY -nee-əm )
Aparênciacinza prateado metálico; corrói em uma camada de óxido preto fragmentada no ar
Peso atômico padrão A r, std (U) 238,028 91 (3) [1]
Urânio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Nd

U

(Uqh)
protactíniourânioneptúnio
Número atômico ( Z )92
Grupogrupo n / a
Períodoperíodo 7
Bloquear  bloco f
Configuração de elétron[ Rn ] 5f 3 6d 1 7s 2
Elétrons por camada2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão1405,3  K (1132,2 ° C, 2070 ° F)
Ponto de ebulição4404 K (4131 ° C, 7468 ° F)
Densidade (próximo à  rt )19,1 g / cm 3
quando líquido (em  mp )17,3 g / cm 3
Calor de fusão9,14  kJ / mol
Calor da vaporização417,1 kJ / mol
Capacidade de calor molar27,665 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 23: 25h 2564 2859 3234 3727 4402
Propriedades atômicas
Estados de oxidação+1, +2, +3, [2] +4 , +5, +6 (um  óxido anfotérico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 1,38
Energias de ionização
  • 1o: 597,6 kJ / mol
  • 2º: 1420 kJ / mol
Raio atômicoempírico: 156  pm
Raio covalente196 ± 19h
Raio de Van der Waals186 pm
Color lines in a spectral range
Linhas espectrais de urânio
Outras propriedades
Ocorrência naturalprimordial
Estrutura de cristalorthorhombic
Orthorhombic crystal structure for uranium
Velocidade do som haste fina3155 m / s (a 20 ° C)
Expansão térmica13,9 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Condutividade térmica27,5 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica0,280 µΩ⋅m (a 0 ° C)
Ordenação magnéticaparamagnético
Módulo de Young208 GPa
Módulo de cisalhamento111 GPa
Módulo de massa100 GPa
Coeficiente de Poisson0,23
Dureza Vickers1960–2500 MPa
Dureza Brinell2350-3850 MPa
Número CAS7440-61-1
História
Nomeaçãoem homenagem ao planeta Urano , em homenagem ao deus grego do céu Urano
DescobertaMartin Heinrich Klaproth (1789)
Primeiro isolamentoEugène-Melchior Péligot (1841)
Principais isótopos de urânio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
232 U syn 68,9 anos SF -
α 228 th
233 U vestígio 1,592 × 10 5  y SF -
α 229 th
234 U 0,005% 2,455 × 10 5  y SF -
α 230 th
235 U 0,720% 7,04 × 10 8  y SF -
α 231 th
236 U vestígio 2,342 × 10 7  y SF -
α 232 th
238 U 99,274% 4,468 × 10 9  y α 234 th
SF -
β - β - 238 Pu
Category Categoria: Urânio
| referências

O urânio é um elemento químico com o símbolo U e o número atômico  92. É um metal cinza prateado da série dos actinídeos da tabela periódica . Um átomo de urânio tem 92 prótons e 92 elétrons , dos quais 6 são elétrons de valência . O urânio é fracamente radioativo porque todos os isótopos de urânio são instáveis; a meia-vida de seus isótopos que ocorrem naturalmente varia entre 159.200 anos e 4,5 bilhões de anos. Os isótopos mais comuns no urânio natural são o urânio-238(que tem 146 nêutrons e é responsável por mais de 99% do urânio na Terra) e urânio-235 (que tem 143 nêutrons). O urânio tem o maior peso atômico dos elementos que ocorrem primordialmente . Sua densidade é cerca de 70% superior à do chumbo e ligeiramente inferior à do ouro ou do tungstênio . Ocorre naturalmente em baixas concentrações de algumas partes por milhão no solo, rocha e água, e é extraído comercialmente de minerais contendo urânio , como a uraninita . [3]

Na natureza, o urânio é encontrado como urânio-238 (99,2739–99,2752%), urânio-235 (0,7198–0,7202%) e uma quantidade muito pequena de urânio-234 (0,0050–0,0059%). [4] O urânio decai lentamente, emitindo uma partícula alfa . A meia-vida do urânio-238 é de cerca de 4,47 bilhões de anos e a do urânio-235 é de 704 milhões de anos, [5] tornando-os úteis na datação da idade da Terra .

Muitos usos contemporâneos do urânio exploram suas propriedades nucleares únicas . O urânio-235 é o único isótopo físsil que ocorre naturalmente , o que o torna amplamente utilizado em usinas nucleares e armas nucleares . No entanto, devido às pequenas quantidades encontradas na natureza, o urânio precisa ser enriquecido para que haja urânio-235 suficiente. O urânio-238 é fissionável por nêutrons rápidos e é fértil , o que significa que pode ser transmutado em plutônio-239 físsil em um reator nuclear . Outro isótopo físsil, o urânio-233 , pode ser produzido a partir do tório naturale é estudado para uso industrial futuro em tecnologia nuclear. O urânio-238 tem uma pequena probabilidade de fissão espontânea ou mesmo fissão induzida com nêutrons rápidos; o urânio-235 e, em menor grau, o urânio-233 têm uma seção transversal de fissão muito maior para nêutrons lentos. Em concentração suficiente, esses isótopos mantêm uma reação em cadeia nuclear sustentada . Isso gera calor em reatores de energia nuclear e produz o material físsil para armas nucleares. O urânio empobrecido ( 238 U) é usado em penetradores de energia cinética e blindagem . [6] Urânio é usado como corante em vidro de urânio, produzindo cores amarelo-limão a verde. O vidro de urânio torna-se verde fluorescente à luz ultravioleta. Também foi usado para tingimento e sombreamento nas primeiras fotografias .

A descoberta de urânio em 1789 no mineral pitchblende é creditada a Martin Heinrich Klaproth , que batizou o novo elemento em homenagem ao planeta recém-descoberto Urano . Eugène-Melchior Péligot foi a primeira pessoa a isolar o metal e suas propriedades radioativas foram descobertas em 1896 por Henri Becquerel . Pesquisas de Otto Hahn , Lise Meitner , Enrico Fermi e outros, como J. Robert Oppenheimer a partir de 1934, levaram ao seu uso como combustível na indústria de energia nuclear e em Little Boy , a primeira arma nuclear usada na guerra. Uma corrida armamentista que se seguiu durante a Guerra Fria entre os Estados Unidos e a União Soviética produziu dezenas de milhares de armas nucleares que usavam urânio metálico e plutônio-239 derivado do urânio . A segurança dessas armas é monitorada de perto. Desde cerca de 2000, o plutônio obtido pelo desmantelamento de bombas da época da Guerra Fria é usado como combustível para reatores nucleares. [7]

O desenvolvimento e implantação desses reatores nucleares continuam em uma base global. Há um interesse crescente nessas usinas, visto que são fontes poderosas de energia sem CO 2 . Em 2019, 440 reatores nucleares produziram 2586 TWh (bilhões de kWh) de eletricidade sem CO 2 em todo o mundo, [8] mais do que as instalações globais de energia solar e eólica combinadas.

Características

A diagram showing a chain transformation of uranium-235 to uranium-236 to barium-141 and krypton-92
Um evento de fissão nuclear induzida por nêutrons envolvendo urânio-235

Quando refinado , o urânio é um metal branco prateado, fracamente radioativo . Tem uma dureza de Mohs de 6, suficiente para riscar o vidro e aproximadamente igual à do titânio , ródio , manganês e nióbio . É maleável , dúctil , ligeiramente paramagnético , fortemente eletropositivo e um mau condutor elétrico . [9] [10] O urânio metálico tem uma densidade muito alta de 19,1 g / cm 3 , [11] mais densa que o chumbo(11,3 g / cm 3 ), [12] mas ligeiramente menos denso que tungstênio e ouro (19,3 g / cm 3 ). [13] [14]

O urânio metálico reage com quase todos os elementos não metálicos (com exceção dos gases nobres ) e seus compostos , com reatividade aumentando com a temperatura. [15] Os ácidos clorídrico e nítrico dissolvem o urânio, mas os ácidos não oxidantes, exceto o ácido clorídrico, atacam o elemento muito lentamente. [9] Quando finamente dividido, pode reagir com água fria; no ar, o urânio metálico fica revestido com uma camada escura de óxido de urânio . [10] O urânio nos minérios é extraído quimicamente e convertido em dióxido de urânio ou outras formas químicas utilizáveis ​​na indústria.

O urânio-235 foi o primeiro isótopo que foi considerado físsil . Outros isótopos de ocorrência natural são físseis, mas não físseis. No bombardeio com nêutrons lentos, seu isótopo de urânio-235 irá na maioria das vezes se dividir em dois núcleos menores , liberando energia de ligação nuclear e mais nêutrons. Se muitos desses nêutrons são absorvidos por outros núcleos de urânio-235, ocorre uma reação em cadeia nuclear que resulta em uma explosão de calor ou (em circunstâncias especiais) uma explosão. Em um reator nuclear, essa reação em cadeia é retardada e controlada por um veneno de nêutron , absorvendo alguns dos nêutrons livres. Esses materiais absorventes de nêutrons costumam fazer parte das hastes de controle do reator(veja a física do reator nuclear para uma descrição deste processo de controle do reator).

Apenas 15 lb (7 kg) de urânio-235 podem ser usados ​​para fazer uma bomba atômica. [16] A arma nuclear detonada sobre Hiroshima , chamada Little Boy , dependia da fissão do urânio. No entanto, a primeira bomba nuclear (o Gadget usado em Trinity ) e a bomba que foi detonada sobre Nagasaki ( Fat Man ) eram bombas de plutônio.

O urânio metálico tem três formas alotrópicas : [17]

  • α ( ortorrômbico ) estável até 668 ° C. Ortorrômbico, grupo espacial No. 63, Cmcm , parâmetros de rede a = 285,4 pm, b = 587 pm, c = 495,5 pm. [18]
  • β ( tetragonal ) estável de 668 ° C a 775 ° C. Tetragonal, grupo espacial P 4 2 / mnm , P 4 2 nm ou P 4 n 2, parâmetros de rede a = 565,6 pm, b = c = 1075,9 pm. [18]
  • γ ( cúbica centrada no corpo ) de 775 ° C ao ponto de fusão - este é o estado mais maleável e dúctil.  Cúbica centrada no corpo, parâmetro de rede a = 352,4 pm. [18]

Formulários

Militares

Shiny metallic cylinder with a sharpened tip. The overall length is 9 cm and diameter about 2 cm.
Vários militares usam urânio empobrecido como penetradores de alta densidade.

A principal aplicação do urânio no setor militar é em penetradores de alta densidade. Essa munição consiste em urânio empobrecido (DU) ligado a 1–2% de outros elementos, como titânio ou molibdênio . [19] Em alta velocidade de impacto, a densidade, dureza e piroforicidade do projétil permitem a destruição de alvos fortemente blindados. Armadura de tanque e outra armadura de veículo removíveltambém pode ser endurecido com placas de urânio empobrecido. O uso de urânio empobrecido tornou-se politicamente e ambientalmente controverso após o uso de tais munições pelos EUA, Reino Unido e outros países durante as guerras no Golfo Pérsico e nos Bálcãs, levantando questões sobre os compostos de urânio deixados no solo (veja a síndrome da Guerra do Golfo ). [16]

O urânio empobrecido também é usado como material de proteção em alguns contêineres usados ​​para armazenar e transportar materiais radioativos. Embora o metal em si seja radioativo, sua alta densidade o torna mais eficaz do que o chumbo na interrupção da radiação de fontes fortes como o rádio . [9] Outros usos do urânio empobrecido incluem contrapesos para superfícies de controle de aeronaves, como lastro para veículos de reentrada de mísseis e como material de proteção. [10] Devido à sua alta densidade, este material é encontrado em sistemas de orientação inercial e em bússolas giroscópicas . [10]O urânio empobrecido é preferível a metais densos semelhantes devido à sua capacidade de ser facilmente usinado e fundido, bem como seu custo relativamente baixo. [20] O principal risco de exposição ao urânio empobrecido é o envenenamento químico por óxido de urânio, em vez de radioatividade (o urânio é apenas um emissor alfa fraco ).

Durante os estágios posteriores da Segunda Guerra Mundial , toda a Guerra Fria e, em menor medida, depois, o urânio-235 foi usado como material explosivo físsil para produzir armas nucleares. Inicialmente, dois tipos principais de bombas de fissão foram construídos: um dispositivo relativamente simples que usa urânio-235 e um mecanismo mais complicado que usa plutônio-239 derivado de urânio-238. Mais tarde, um tipo muito mais complicado e muito mais poderoso de bomba de fissão / fusão ( arma termonuclear ) foi construída, que usa um dispositivo à base de plutônio para fazer com que uma mistura de trítio e deutério sofra a fusão nuclear. Essas bombas são revestidas em uma caixa de urânio não físsil (não enriquecido) e obtêm mais da metade de sua energia da fissão desse material por nêutrons rápidos do processo de fusão nuclear. [21]

Civil

Photograph featuring sunflowers in front and a plant on the back. The plant has a wide cooling tower with diameter comparable to its height with a cloud of water vapor rising from the top.
O uso civil mais visível do urânio é como fonte de energia térmica usada em usinas nucleares .

O principal uso do urânio no setor civil é para abastecer usinas nucleares . Um quilograma de urânio-235 pode teoricamente produzir cerca de 20 terajoules de energia (2 × 10 13  joules ), assumindo a fissão completa; tanta energia quanto 1,5 milhão de quilogramas (1.500 toneladas ) de carvão . [6]

As usinas nucleares comerciais usam combustível geralmente enriquecido em cerca de 3% de urânio-235. [6] Os projetos CANDU e Magnox são os únicos reatores comerciais capazes de usar combustível de urânio não enriquecido. O combustível usado nos reatores da Marinha dos Estados Unidos é tipicamente altamente enriquecido em urânio-235 (os valores exatos são classificados ). Em um reator reprodutor , o urânio-238 também pode ser convertido em plutônio por meio da seguinte reação: [10]

238
92
você
+ n 239
92
você
+ γ β -  239
93
Np
β -  239
94
Pu
A glass place on a glass stand. The plate is glowing green while the stand is colorless.
Vidro de urânio brilhando sob luz ultravioleta

Antes (e, ocasionalmente, depois) da descoberta da radioatividade, o urânio era usado principalmente em pequenas quantidades para o vidro amarelo e os esmaltes de cerâmica, como o vidro de urânio e nas louças Fiesta . [22]

A descoberta e o isolamento do rádio no minério de urânio (pitchblende) por Marie Curie desencadeou o desenvolvimento da mineração de urânio para extrair o rádio, que foi usado para fazer tintas que brilham no escuro para relógios e mostradores de aeronaves. [23] [24] Isso deixou uma quantidade prodigiosa de urânio como produto residual, uma vez que são necessárias três toneladas de urânio para extrair um grama de rádio. Este produto residual foi desviado para a indústria de envidraçamento, tornando os esmaltes de urânio muito baratos e abundantes. Além dos esmaltes de cerâmica, os esmaltes de urânio foram responsáveis ​​pela maior parte do uso, incluindo azulejos de banheiro e cozinha comuns que podem ser produzidos em verde, amarelo, malva, preto, azul, vermelho e outras cores.

Esmalte cerâmico de urânio brilhando sob luz ultravioleta Design e desenvolvido pelo Dr. Sencer Sarı
A glass cylinder capped on both ends with metal electrodes. Inside the glass bulb there is a metal cylinder connected to the electrodes.
Vidro de urânio usado como selos de chumbo em um capacitor a vácuo

O urânio também foi usado em produtos químicos fotográficos (especialmente nitrato de urânio como toner ), [10] em filamentos de lâmpadas para lâmpadas de iluminação de palco , [25] para melhorar a aparência de dentaduras , [26] e nas indústrias de couro e madeira para manchas e tinturas. Os sais de urânio são mordentes de seda ou lã. Acetato de uranila e formato de uranila são usados ​​como "manchas" elétron-densas em microscopia eletrônica de transmissão , para aumentar o contraste de espécimes biológicos em cortes ultrafinos e em coloração negativa de vírus , isoladosorganelas celulares e macromoléculas .

A descoberta da radioatividade do urânio deu início a usos científicos e práticos adicionais do elemento. A longa meia-vida do isótopo urânio-238 (4,51 × 10 9 anos) o torna adequado para uso na estimativa da idade das rochas ígneas mais antigas e para outros tipos de datação radiométrica , incluindo datação de urânio-tório , urânio- datação por chumbo e datação urânio-urânio . O urânio metálico é usado para alvos de raios-X na fabricação de raios-X de alta energia. [10]

História

Uso pré-descoberta

O planeta Urano , que deu nome ao urânio

O uso de urânio em sua forma de óxido natural remonta pelo menos ao ano 79 EC , quando era usado no Império Romano para adicionar uma cor amarela aos esmaltes de cerâmica . [10] vidro amarelo com óxido de urânio 1% foi encontrado em uma villa romana em Cabo Posillipo na Baía de Nápoles , Itália, por RT Gunther da Universidade de Oxford em 1912. [27] Começando no final da Idade Média , pitchblende foi extraído das minas de prata dos Habsburgos em Joachimsthal , Bohemia(agora Jáchymov na República Tcheca), e foi usado como um agente de coloração na indústria local de fabricação de vidro . [28] No início do século 19, as únicas fontes conhecidas de minério de urânio eram essas minas.

Descoberta

Two fuzzy black features on a fuzzy white paper-like background. There is a handwriting at the top of the picture.
Antoine Henri Becquerel descobriu o fenômeno da radioatividade ao expor uma chapa fotográfica ao urânio em 1896.

A descoberta do elemento é creditada ao químico alemão Martin Heinrich Klaproth . Enquanto trabalhava em seu laboratório experimental em Berlim em 1789, Klaproth foi capaz de precipitar um composto amarelo (provavelmente diuranato de sódio ) dissolvendo o pitchblende em ácido nítrico e neutralizando a solução com hidróxido de sódio . [28] Klaproth presumiu que a substância amarela era o óxido de um elemento ainda não descoberto e o aqueceu com carvão para obter um pó preto, que ele pensou ser o próprio metal recém-descoberto (na verdade, esse pó era um óxido de urânio). [28] [29]Ele deu ao elemento recém-descoberto o nome do planeta Urano (em homenagem ao deus grego primordial do céu ), que havia sido descoberto oito anos antes por William Herschel . [30]

Em 1841, Eugène-Melchior Péligot , professor de Química Analítica no Conservatoire National des Arts et Métiers (Escola Central de Artes e Manufaturas) em Paris , isolou a primeira amostra de urânio metálico aquecendo o tetracloreto de urânio com potássio . [28] [31]

Henri Becquerel descobriu a radioatividade usando urânio em 1896. [15] Becquerel fez a descoberta em Paris, deixando uma amostra de um sal de urânio, K 2 UO 2 (SO 4 ) 2 (sulfato de uranil potássio), no topo de uma placa fotográfica não exposta em uma gaveta e observando que a placa havia ficado "embaçada". [32] Ele determinou que uma forma de luz invisível ou raios emitidos pelo urânio expuseram a placa.

Durante a Primeira Guerra Mundial, quando as Potências Centrais sofreram uma escassez de molibdênio para fazer canos de armas de artilharia e aços para ferramentas de alta velocidade, eles substituíram rotineiramente ligas de ferrourânio que apresentam muitas das mesmas características físicas. Quando essa prática se tornou conhecida em 1916, o governo dos EUA solicitou a várias universidades proeminentes que pesquisassem esses usos para o urânio e as ferramentas feitas com essas fórmulas permaneceram em uso por várias décadas, terminando apenas quando o Projeto Manhattan e a Guerra Fria colocaram uma grande demanda de urânio para fissão pesquisa e desenvolvimento de armas. [33] [34] [35]

Pesquisa de fissão

Cubos e cuboides de urânio produzidos durante o projeto Manhattan

Uma equipe liderada por Enrico Fermi em 1934 observou que o bombardeio de urânio com nêutrons produz a emissão de raios beta ( elétrons ou pósitrons dos elementos produzidos; ver partícula beta ). [36] Os produtos da fissão foram inicialmente confundidos com novos elementos com números atômicos 93 e 94, que o reitor da Faculdade de Roma, Orso Mario Corbino, batizou de ausônio e hesperium , respectivamente. [37] [38] [39] [40] Os experimentos que levaram à descoberta da capacidade do urânio de fissão (quebrar) em elementos mais leves e liberar energia de ligaçãoforam conduzidas por Otto Hahn e Fritz Strassmann [36] no laboratório de Hahn em Berlim. Lise Meitner e seu sobrinho, o físico Otto Robert Frisch , publicaram a explicação física em fevereiro de 1939 e chamaram o processo de " fissão nuclear ". [41] Logo depois, Fermi levantou a hipótese de que a fissão do urânio poderia liberar nêutrons suficientes para sustentar uma reação de fissão. A confirmação dessa hipótese veio em 1939, e trabalhos posteriores descobriram que, em média, cerca de 2,5 nêutrons são liberados por cada fissão do raro isótopo de urânio urânio-235. [36] Fermi pediu a Alfred OC Nierpara separar isótopos de urânio para determinação do componente físsil, e em 29 de fevereiro de 1940, Nier usou um instrumento que ele construiu na Universidade de Minnesota para separar a primeira amostra de urânio-235 do mundo no Laboratório Tate. Depois de enviado para a Universidade de Columbia do ciclotron , John Dunning confirmou a amostra a ser o material físsil isolado em 1 de Março. [42] Outros trabalhos descobriram que o isótopo muito mais comum de urânio-238 pode ser transmutado em plutônio, que, como o urânio-235, também é físsil por nêutrons térmicos. Essas descobertas levaram vários países a começar a trabalhar no desenvolvimento de armas nucleares e energia nuclear .

Em 2 de dezembro de 1942, como parte do Projeto Manhattan , outra equipe liderada por Enrico Fermi foi capaz de iniciar a primeira reação em cadeia nuclear auto-sustentada artificial , Chicago Pile-1 . Um plano inicial usando urânio-235 enriquecido foi abandonado porque ainda não estava disponível em quantidades suficientes. [43] Trabalhando em um laboratório abaixo das arquibancadas de Stagg Field na Universidade de Chicago , a equipe criou as condições necessárias para tal reação empilhando 400  toneladas curtas (360  toneladas métricas ) de grafite , 58 toneladas curtas (53 toneladas métricas) ) de óxido de urânioe seis toneladas curtas (5,5 toneladas métricas) de urânio metálico, a maioria das quais fornecida pela Westinghouse Lamp Plant em um processo de produção improvisado. [36] [44]

Armamento nuclear

White fragmentred mushroom-like smoke cloud evolving from the ground.
A nuvem em forma de cogumelo sobre Hiroshima após o lançamento da bomba atômica à base de urânio apelidada de ' Garotinho '

Dois tipos principais de bombas atômicas foram desenvolvidos pelos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial : um dispositivo baseado em urânio (codinome " Little Boy "), cujo material físsil era urânio altamente enriquecido , e um dispositivo baseado em plutônio (ver teste Trinity e " Gordura Homem ") cujo plutônio era derivado do urânio-238. O dispositivo baseado em urânio Little Boy se tornou a primeira arma nuclear usada na guerra quando foi detonado na cidade japonesa de Hiroshima em 6 de agosto de 1945. Explodindo com um rendimento equivalente a 12.500 toneladas de TNT , a explosão e a onda térmica da bomba destruída quase 50.000 edifícios e matou aproximadamente 75.000 pessoas (verBombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki ). [32] Inicialmente, acreditava-se que o urânio era relativamente raro e que a proliferação nuclear poderia ser evitada simplesmente comprando todos os estoques de urânio conhecidos, mas dentro de uma década, grandes depósitos dele foram descobertos em muitos lugares ao redor do mundo. [45]

Reatores

An industrial room with four large illuminated light bulbs hanging down from a bar.
Quatro lâmpadas acesas com eletricidade gerada a partir do primeiro reator nuclear produtor de eletricidade artificial, EBR-I (1951)

O Reator X-10 Graphite no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) em Oak Ridge, Tennessee, anteriormente conhecido como Clinton Pile e X-10 Pile, foi o segundo reator nuclear artificial do mundo (depois de Enrico Fermi's Chicago Pile) e foi o primeiro reator projetado e construído para operação contínua. Argonne National Laboratory 's Experimental Breeder Reactor I , localizado na Estação de Testes da Comissão de Energia Atômica Nacional Reactor perto de Arco, Idaho , tornou-se o primeiro reator nuclear para gerar eletricidade em 20 de dezembro de 1951. [46]Inicialmente, quatro lâmpadas de 150 watts foram acesas pelo reator, mas as melhorias eventualmente permitiram que ele abastecesse toda a instalação (mais tarde, a cidade de Arco tornou-se a primeira no mundo a ter toda a eletricidade proveniente de energia nuclear gerada por BORAX- III , outro reator projetado e operado pelo Laboratório Nacional de Argonne ). [47] [48] A primeira usina nuclear em escala comercial do mundo, Obninsk na União Soviética , começou a geração com seu reator AM-1 em 27 de junho de 1954. Outras primeiras usinas nucleares foram Calder Hall na Inglaterra , que iniciou a geração em 17 Outubro de 1956, [49] e oShipport Atomic Power Station na Pensilvânia , que começou em 26 de maio de 1958. A energia nuclear foi usada pela primeira vez para propulsão por um submarino , o USS Nautilus , em 1954. [36] [50]

Fissão pré-histórica que ocorre naturalmente

Em 1972, o físico francês Francis Perrin descobriu quinze reatores de fissão nuclear naturais antigos e não mais ativos em três depósitos de minério separados na mina Oklo no Gabão , África Ocidental , conhecidos coletivamente como Reatores Fósseis Oklo . O depósito de minério tem 1,7 bilhão de anos; então, o urânio-235 constituiu cerca de 3% do urânio total da Terra. [51] Isso é alto o suficiente para permitir que uma reação em cadeia de fissão nuclear sustentada ocorra, desde que existam outras condições de suporte. A capacidade do sedimento circundante de conter o lixo nuclearprodutos foram citados pelo governo federal dos EUA como evidência de apoio para a viabilidade de armazenar combustível nuclear gasto no repositório de resíduos nucleares da Montanha Yucca . [51]

Contaminação e o legado da Guerra Fria

A graph showing evolution of number of nuclear weapons in the US and USSR and in the period 1945–2005. US dominates early and USSR later years with and crossover around 1978.
Arsenais de armas nucleares dos EUA e da URSS / Rússia, 1945-2005

Testes nucleares de superfície realizados pela União Soviética e pelos Estados Unidos na década de 1950 e no início da década de 1960 e pela França nas décadas de 1970 e 1980 [20] espalharam uma quantidade significativa de precipitação radioativa de isótopos derivados de urânio em todo o mundo. [52] Chuva adicional e poluição ocorreram em vários acidentes nucleares . [53]

Os mineiros de urânio têm uma incidência maior de câncer . Um risco excessivo de câncer de pulmão entre os mineiros de urânio Navajo , por exemplo, foi documentado e relacionado à sua ocupação. [54] O Radiation Exposure Compensation Act , uma lei de 1990 nos EUA, exigia US $ 100.000 em "pagamentos de compaixão" aos mineiros de urânio com diagnóstico de câncer ou outras doenças respiratórias. [55]

Durante a Guerra Fria entre a União Soviética e os Estados Unidos, enormes estoques de urânio foram acumulados e dezenas de milhares de armas nucleares foram criadas usando urânio enriquecido e plutônio feito de urânio. Desde o desmembramento da União Soviética em 1991, cerca de 600 toneladas curtas (540 toneladas métricas) de urânio altamente enriquecido para armas (o suficiente para fazer 40.000 ogivas nucleares) foram armazenadas em instalações frequentemente protegidas de forma inadequada na Federação Russa e em vários outros ex-estados soviéticos. [16] A polícia na Ásia , Europa e América do Sul em pelo menos 16 ocasiões de 1993 a 2005 interceptou carregamentosde urânio ou plutônio contrabandeado para bombas, a maioria dos quais de fontes ex-soviéticas. [16] De 1993 a 2005, o Programa de Proteção, Controle e Contabilidade de Materiais, operado pelo governo federal dos Estados Unidos , gastou aproximadamente US $ 550 milhões para ajudar a proteger os estoques de urânio e plutônio na Rússia. [16] Este dinheiro foi usado para melhorias e melhorias de segurança em instalações de pesquisa e armazenamento. Americano científicorelataram em fevereiro de 2006 que, em algumas das instalações, a segurança consistia em cercas de arame que estavam em péssimo estado de conservação. De acordo com uma entrevista do artigo, uma instalação estava armazenando amostras de urânio enriquecido (para armas) em um armário de vassouras antes do projeto de melhoria; outro vinha monitorando seu estoque de ogivas nucleares usando fichas guardadas em uma caixa de sapato. [56]

Ocorrência

Origem

Junto com todos os elementos com pesos atômicos maiores do que o do ferro , o urânio só é formado naturalmente pelo processo r (captura rápida de nêutrons) em supernovas e fusões de estrelas de nêutrons . [57] O tório primordial e o urânio são produzidos apenas no processo r, porque o processo s (captura lenta de nêutrons) é muito lento e não pode passar pela lacuna de instabilidade após o bismuto. [58] [59] Além dos dois isótopos de urânio primordial existentes, 235 U e 238 U, o processo r também produziu quantidades significativas de 236 U, que tem uma meia-vida mais curta e há muito decaiu completamente para 232 Th, que foi enriquecido pela degradação de 244 Pu , sendo responsável pela abundância de tório observada acima do esperado e abundância de urânio abaixo do esperado . [60] Embora a abundância natural de urânio tenha sido suplementada pela decomposição do extinto 242 Pu (meia-vida de 0,375 milhões de anos) e 247 Cm (meia-vida de 16 milhões de anos), produzindo 238 U e 235 U respectivamente, isso ocorreu a uma extensão quase insignificante devido à meia-vida mais curta desses pais e sua produção mais baixa do que 236 U e 244Pu, os pais do tório: a razão 247 Cm: 235 U na formação do Sistema Solar era(7,0 ± 1,6) × 10 −5 . [61]

Biótico e abiótico

A shiny gray 5-centimeter piece of matter with a rough surface.
A uraninita, também conhecida como pechblenda, é o minério mais comum para a extração de urânio.
A evolução do fluxo de calor radiogênico da Terra ao longo do tempo: contribuição de 235 U em vermelho e de 238 U em verde

O urânio é um elemento natural que pode ser encontrado em níveis baixos em todas as rochas, solo e água. O urânio é o 51º elemento em ordem de abundância na crosta terrestre. O urânio também é o elemento de maior número encontrado naturalmente em quantidades significativas na Terra e quase sempre é encontrado combinado com outros elementos. [10] Acredita-se que a decomposição do urânio, tório e potássio-40 no manto da Terra seja a principal fonte de calor [62] [63] que mantém o núcleo externo da Terra no estado líquido e impulsiona a convecção do manto , que em giro impulsiona placas tectônicas.

A concentração média do urânio na crosta terrestre é (dependendo da referência) 2 a 4 partes por milhão, [9] [20] ou cerca de 40 vezes mais abundante que a prata . [15] Calcula-se que a crosta terrestre da superfície até 25 km (15 mi) para baixo contém 10 17  kg (2 × 10 17  lb) de urânio, enquanto os oceanos podem conter 10 13  kg (2 × 10 13  lb). [9] A concentração de urânio no solo varia de 0,7 a 11 partes por milhão (até 15 partes por milhão em terras agrícolas devido ao uso de fertilizantes fosfatados), e sua concentração na água do mar é de 3 partes por bilhão. [20]

O urânio é mais abundante do que o antimônio , o estanho , o cádmio , o mercúrio ou a prata e é quase tão abundante quanto o arsênio ou o molibdênio . [10] [20] O urânio é encontrado em centenas de minerais, incluindo uraninita (o minério de urânio mais comum ), carnotita , autunita , uranofano , torbernita e caixão . [10] Concentrações significativas de urânio ocorrem em algumas substâncias, como depósitos de rocha de fosfato , e minerais, como a linhitae areias monazíticas em minérios ricos em urânio [10] (é recuperado comercialmente de fontes com apenas 0,1% de urânio [15] ).

Five rod-shaped cells on a flat surface: four in a group and one separate.
As espécies de Citrobacter podem ter concentrações de urânio em suas células 300 vezes o nível do ambiente circundante.

Algumas bactérias, como Shewanella putrefaciens , Geobacter metallireducens e algumas cepas de Burkholderia fungorum , usam urânio para seu crescimento e convertem U (VI) em U (IV). [64] [65] Pesquisas recentes sugerem que essa via inclui a redução do U (VI) solúvel por meio de um estado pentavalente U (V) intermediário. [66] [67]

Outros organismos, como o líquen Trapelia involuta ou microrganismos como a bactéria Citrobacter , podem absorver concentrações de urânio que são até 300 vezes o nível de seu ambiente. [68] As espécies Citrobacter absorvem íons uranil quando administrados com fosfato de glicerol (ou outros fosfatos orgânicos semelhantes). Depois de um dia, um grama de bactéria pode se incrustar com nove gramas de cristais de fosfato de uranila; isso cria a possibilidade de que esses organismos possam ser usados ​​em biorremediação para descontaminar a água poluída com urânio. [28] [69] O proteobacteriumGeobacter também demonstrou biorremediação de urânio em águas subterrâneas. [70] O fungo micorrízico Glomus intraradices aumenta o conteúdo de urânio nas raízes de sua planta simbiótica. [71]

Na natureza, o urânio (VI) forma complexos de carbonato altamente solúveis em pH alcalino. Isso leva a um aumento na mobilidade e disponibilidade de urânio para as águas subterrâneas e solo a partir de resíduos nucleares, o que acarreta riscos para a saúde. No entanto, é difícil precipitar o urânio como fosfato na presença de carbonato em excesso em pH alcalino. A Sphingomonas sp. a cepa BSAR-1 demonstrou expressar uma fosfatase alcalina de alta atividade (PhoK) que foi aplicada para a bioprecipitação de urânio como espécies de fosfato de uranila a partir de soluções alcalinas. A capacidade de precipitação foi aumentada pela superexpressão da proteína PhoK em E. coli . [72]

As plantas absorvem algum urânio do solo. As concentrações de peso seco de urânio nas plantas variam de 5 a 60 partes por bilhão, e as cinzas da madeira queimada podem ter concentrações de até 4 partes por milhão. [28] As concentrações de peso seco de urânio em plantas alimentícias são normalmente mais baixas, com um a dois microgramas por dia ingeridos através dos alimentos que as pessoas comem. [28]

Produção e mineração

Produção de urânio 2015 [73]

A produção mundial de U 3 O 8 (yellowcake) em 2013 foi de 70.015 toneladas , das quais 22.451 t (32%) foram extraídas do Cazaquistão . Outros importantes países mineradores de urânio são Canadá (9.331 t), Austrália (6.350 t), Níger (4.518 t), Namíbia (4.323 t) e Rússia (3.135 t). [74]

O minério de urânio é extraído de várias maneiras: a céu aberto , subterrâneo , lixiviação in-situ e mineração em poços (veja mineração de urânio ). [6] O minério de urânio de baixo grau extraído normalmente contém 0,01 a 0,25% de óxidos de urânio. Medidas extensivas devem ser empregadas para extrair o metal de seu minério. [75] Minérios de alto teor encontrados nos depósitos da Bacia de Athabasca em Saskatchewan , Canadá, podem conter até 23% de óxidos de urânio em média. [76] O minério de urânio é triturado e transformado em um pó fino e então lixiviado com um ácido ou álcali . O lixiviadoé submetido a uma das várias sequências de precipitação, extração de solvente e troca iônica. A mistura resultante, chamada de yellowcake , contém pelo menos 75% de óxidos de urânio U 3 O 8 . Yellowcake é então calcinado para remover impurezas do processo de moagem antes do refino e conversão. [77]

O urânio comercial pode ser produzido através da redução de haletos de urânio com metais alcalinos ou alcalino-terrosos . [10] O urânio metálico também pode ser preparado através da eletrólise do KUF
5
ou UF
4
, dissolvido em cloreto de cálcio fundido ( Ca Cl
2
) E cloreto de sódio ( Na Cl) solução. [10] Urânio muito puro é produzido através da decomposição térmica de halogenetos de urânio em um filamento quente. [10]

Recursos e reservas

Estima-se que 5,5 milhões de toneladas de urânio existam em reservas de minério economicamente viáveis ​​a US $ 59 por libra de urânio, [78] enquanto 35 milhões de toneladas são classificados como recursos minerais (perspectivas razoáveis ​​para eventual extração econômica). [79] Os preços passaram de cerca de $ 10 / lb em maio de 2003 para $ 138 / lb em julho de 2007. Isso causou um grande aumento nos gastos com exploração, [78] com US $ 200 milhões sendo gastos em todo o mundo em 2005, um aumento de 54% em o ano passado. [79] Essa tendência continuou durante 2006, quando os gastos com exploração dispararam para mais de $ 774 milhões, um aumento de mais de 250% em relação a 2004. Agência de Energia Nuclear da OCDE disse que os números da exploração para 2007 provavelmente corresponderiam aos de 2006. [78]

A Austrália tem 31% das reservas de minério de urânio conhecidas do mundo [80] e o maior depósito único de urânio do mundo, localizado na Olympic Dam Mine no sul da Austrália . [81] Há uma reserva significativa de urânio em Bakouma , uma subprefeitura da prefeitura de Mbomou na República Centro-Africana . [82]

Algum combustível nuclear vem de armas nucleares sendo desmanteladas, [83] como do Programa Megatons para Megawatts .

Estima-se que 4,6 bilhões de toneladas adicionais de urânio estejam na água do mar ( cientistas japoneses na década de 1980 mostraram que a extração de urânio da água do mar usando trocadores de íons era tecnicamente viável). [84] [85] Houve experimentos para extrair urânio da água do mar, [86] mas o rendimento foi baixo devido ao carbonato presente na água. Em 2012, os pesquisadores do ORNL anunciaram o desenvolvimento bem-sucedido de um novo material absorvente denominado HiCap, que realiza a retenção de superfície de moléculas sólidas ou gasosas, átomos ou íons e também remove efetivamente metais tóxicos da água, de acordo com resultados verificados por pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory.[87] [88]

Suprimentos

Preço à vista mensal do urânio em US $ por libra. O pico de preços de 2007 é claramente visível. [89]

Em 2005, dezessete países produziram óxidos de urânio concentrados: Canadá (27,9% da produção mundial), Austrália (22,8%), Cazaquistão (10,5%), Rússia (8,0%), Namíbia (7,5%), Níger (7,4%), Uzbequistão (5,5%), Estados Unidos (2,5%), Argentina (2,1%), Ucrânia (1,9%) e China (1,7%). [90] Em 2008, o Cazaquistão estava previsto para aumentar a produção e pode ter se tornado o maior produtor mundial de urânio em 2009, com uma produção esperada de 12.826 toneladas, em comparação com o Canadá com 11.100 te a Austrália com 9.430 t. [91][92] As previsões se tornaram realidade. Em 2019, o Cazaquistão produz a maior parte de urânio de minas 42% do abastecimento mundial, seguido pelo Canadá (13%) e Austrália (12%), Namíbia (10%), Uzbequistão (6%), Níger (5%), Rússia (5%), China (3%), Ucrânia (1,5%), EUA (0,12%), Índia (0,6%), Irã (0,13%), com produção mundial total de 54.752 toneladas de minas. [93] No entanto, deve-se mencionar que em 2019 o urânio foi extraído não só pela mineração subterrânea convencional de minérios 43% da produção (54.752 toneladas), onde a rocha mineralizada é retirada do solo, fragmentando-a e tratando-a para a remoção do minerais procurados, mas também por métodos de lixiviação in-situ (ISL) 57% da produção mundial (64566 toneladas). [94] [93]

No final dos anos 1960, geólogos da ONU também descobriram grandes depósitos de urânio e outras reservas minerais raras na Somália . A descoberta foi a maior de seu tipo, com especialistas da indústria estimando os depósitos em mais de 25% das reservas mundiais de urânio então conhecidas de 800.000 toneladas. [95]

Acredita-se que o suprimento final disponível seja suficiente para pelo menos os próximos 85 anos, [79] embora alguns estudos indiquem que o subinvestimento no final do século XX pode produzir problemas de suprimento no século XXI. [96] Os depósitos de urânio parecem ter distribuição normal logarítmica. Há um aumento de 300 vezes na quantidade de urânio recuperável para cada redução de dez vezes no teor de minério. [97] Em outras palavras, há pouco minério de alto teor e, proporcionalmente, muito mais minério de baixo teor disponível.

Compostos

Reações do urânio metálico

Estados de oxidação e óxidos

Óxidos

Ball and stick model of layered crystal structure containing two types of atoms.
Ball and stick model of cubic-like crystal structure containing two types of atoms.
O octóxido de triurânio (à esquerda) e o dióxido de urânio (à direita) são os dois óxidos de urânio mais comuns.

O bolo amarelo de urânio calcinado, conforme produzido em muitas fábricas grandes, contém uma distribuição de espécies de oxidação de urânio em várias formas, desde a mais oxidada até a menos oxidada. Partículas com tempos de residência curtos em um calcinador geralmente serão menos oxidadas do que aquelas com longos tempos de retenção ou partículas recuperadas no purificador de pilha. O conteúdo de urânio é geralmente referenciado a U
3
O
8
, que data dos dias do Projeto Manhattan quando U
3
O
8
foi usado como um padrão de relatório de química analítica.

As relações de fase no sistema urânio-oxigênio são complexas. Os estados de oxidação mais importantes do urânio são urânio (IV) e urânio (VI), e seus dois óxidos correspondentes são, respectivamente, dióxido de urânio ( UO
2
) e trióxido de urânio ( UO
3
) [98] Outros óxidos de urânio , como monóxido de urânio (UO), pentóxido de diurânio ( U
2
O
5
), e peróxido de urânio ( UO
4
· 2H
2
O
) também existem.

As formas mais comuns de óxido de urânio são octoxido de triurânio ( U
3
O
8
) e UO
2
. [99] Ambas as formas de óxido são sólidos que têm baixa solubilidade em água e são relativamente estáveis ​​em uma ampla gama de condições ambientais. O octóxido de triurânio é (dependendo das condições) o composto de urânio mais estável e a forma mais comumente encontrada na natureza. O dióxido de urânio é a forma em que o urânio é mais comumente usado como combustível de reator nuclear. [99] Em temperatura ambiente, UO
2
irá gradualmente se converter para U
3
O
8
. Devido à sua estabilidade, os óxidos de urânio são geralmente considerados a forma química preferida para armazenamento ou descarte. [99]

Química Aquosa

Urânio em seus estados de oxidação III, IV, V, VI

Os sais de muitos estados de oxidação do urânio são solúveis em água e podem ser estudados em soluções aquosas . As formas iônicas mais comuns são U3+
(marrom-vermelho), U4+
(verde), UO+
2
(instável) e UO2+
2
(amarelo), para U (III), U (IV), U (V) e U (VI), respectivamente. [100] Alguns compostos sólidos e semimetálicos como UO e US existem para o estado de oxidação formal de urânio (II), mas nenhum íon simples é conhecido por existir em solução para esse estado. Ions of U3+
liberam hidrogênio da água e, portanto, são considerados altamente instáveis. O UO2+
2
íon representa o estado de urânio (VI) e é conhecido por formar compostos como carbonato de uranila , cloreto de uranila e sulfato de uranila . UO2+
2
também forma complexos com vários agentes quelantes orgânicos , sendo o mais comumente encontrado o acetato de uranila . [100]

Ao contrário dos sais de uranil do urânio e das formas catiônicas de íon poliatômico de óxido de urânio, os uranatos , sais contendo um ânion de óxido de urânio poliatômico, geralmente não são solúveis em água.

Carbonatos

As interações de ânions de carbonato com urânio (VI) fazem com que o diagrama de Pourbaix mude muito quando o meio é alterado de água para uma solução contendo carbonato. Embora a grande maioria dos carbonatos seja insolúvel em água (os alunos costumam aprender que todos os carbonatos, exceto os de metais alcalinos, são insolúveis em água), os carbonatos de urânio costumam ser solúveis em água. Isso ocorre porque um cátion U (VI) é capaz de se ligar a dois óxidos terminais e três ou mais carbonatos para formar complexos aniônicos.

Diagramas de Pourbaix [101]
A graph of potential vs. pH showing stability regions of various uranium compounds
A graph of potential vs. pH showing stability regions of various uranium compounds
Urânio em meio aquoso não complexante (por exemplo, ácido perclórico / hidróxido de sódio). [101] Urânio em solução de carbonato
A graph of potential vs. pH showing stability regions of various uranium compounds
A graph of potential vs. pH showing stability regions of various uranium compounds
Concentrações relativas das diferentes formas químicas de urânio em um meio aquoso não complexante (por exemplo, ácido perclórico / hidróxido de sódio). [101] Concentrações relativas das diferentes formas químicas de urânio em uma solução aquosa de carbonato. [101]

Efeitos do pH

Os diagramas de fração de urânio na presença de carbonato ilustram isso melhor: quando o pH de uma solução de urânio (VI) aumenta, o urânio é convertido em um hidróxido de óxido de urânio hidratado e em pHs elevados torna-se um complexo de hidróxido aniônico.

Quando o carbonato é adicionado, o urânio é convertido em uma série de complexos de carbonato se o pH for aumentado. Um efeito dessas reações é o aumento da solubilidade do urânio na faixa de pH de 6 a 8, um fato que tem influência direta na estabilidade a longo prazo dos combustíveis nucleares de dióxido de urânio usados.

Hidretos, carbonetos e nitretos

O urânio metálico aquecido a 250 a 300 ° C (482 a 572 ° F) reage com o hidrogênio para formar hidreto de urânio . Mesmo as temperaturas mais altas removerão o hidrogênio de forma reversível. Esta propriedade torna os hidretos de urânio materiais de partida convenientes para criar pó de urânio reativo junto com vários carboneto de urânio , nitreto e compostos de haleto . [102] Existem duas modificações de cristal de hidreto de urânio: uma forma α que é obtida em baixas temperaturas e uma forma β que é criada quando a temperatura de formação está acima de 250 ° C. [102]

Carbonetos de urânio e nitretos de urânio são compostos semimetálicos relativamente inertes que são minimamente solúveis em ácidos , reagem com a água e podem inflamar no ar para formar U
3
O
8
. [102] Os carbonetos de urânio incluem monocarbeto de urânio (U C ), dicarbeto de urânio ( UC
2
), e tricarbeto de diurânio ( U
2
C
3
) UC e UC
2
são formados pela adição de carbono ao urânio fundido ou pela exposição do metal ao monóxido de carbono em altas temperaturas. Estável abaixo de 1800 ° C, U
2
C
3
é preparado submetendo uma mistura aquecida de UC e UC
2
ao estresse mecânico. [103] Nitretos de urânio obtidos por exposição direta do metal ao nitrogênio incluem mononitreto de urânio (ONU), dinitreto de urânio ( ONU
2
), e trinitreto de diurânio ( U
2
N
3
) [103]

Halides

Snow-like substance in a sealed glass ampoule.
O hexafluoreto de urânio é a matéria-prima usada para separar o urânio-235 do urânio natural.

Todos os fluoretos de urânio são criados usando tetrafluoreto de urânio ( UF
4
); UF
4
em si é preparado por hidrofluoração de dióxido de urânio. [102] Redução de UF
4
com hidrogênio a 1000 ° C produz trifluoreto de urânio ( UF
3
) Sob as condições certas de temperatura e pressão, a reação do UF sólido
4
com hexafluoreto de urânio gasoso ( UF
6
) pode formar os fluoretos intermediários de U
2
F
9
, U
4
F
17
, e UF
5
. [102]

Em temperatura ambiente, UF
6
tem uma alta pressão de vapor , o que o torna útil no processo de difusão gasosa para separar o raro urânio-235 do isótopo comum de urânio-238. Este composto pode ser preparado a partir de dióxido de urânio e hidreto de urânio pelo seguinte processo: [102]

UO
2
+ 4 HF → UF
4
+ 2 H
2
O
(500 ° C, endotérmico)
UF
4
+ F
2
UF
6
(350 ° C, endotérmico)

O UF resultante
6
, um sólido branco, é altamente reativo (por fluoração), facilmente sublima (emitindo um vapor que se comporta como um gás quase ideal ) e é o composto de urânio mais volátil que existe. [102]

Um método de preparação de tetracloreto de urânio ( UCl
4
) é combinar diretamente o cloro com o urânio metálico ou com o hidreto de urânio. A redução do UCl
4
por hidrogênio produz tricloreto de urânio ( UCl
3
), enquanto os cloretos superiores de urânio são preparados por reação com cloro adicional. [102] Todos os cloretos de urânio reagem com a água e o ar.

Brometos e iodetos de urânio são formados pela reação direta de, respectivamente, bromo e iodo com urânio ou pela adição de UH
3
aos ácidos desses elementos. [102] Exemplos conhecidos incluem: UBr
3
, UBr
4
, UI
3
, e UI
4
. UI
5
nunca foi preparado. Os oxihaletos de urânio são solúveis em água e incluem UO
2
F
2
, UOCl
2
, UO
2
Cl
2
, e UO
2
Br
2
. A estabilidade dos oxi-halogenetos diminui à medida que o peso atômico do componente halogeneto aumenta. [102]

Isótopos

Concentrações naturais

O urânio natural consiste em três isótopos principais : urânio-238 (99,28% de abundância natural ), urânio-235 (0,71%) e urânio-234 (0,0054%). Todos os três são radioativos , emitindo partículas alfa , com a exceção de que todos esses três isótopos têm pequenas probabilidades de sofrer fissão espontânea . Existem também cinco outros isótopos vestigiais: urânio-239, que é formado quando 238 U sofre fissão espontânea, liberando nêutrons que são capturados por outro átomo de 238 U; urânio-237, que é formado quando 238 U captura um nêutron, mas emite mais dois, que então decai paraneptúnio-237 ; e, finalmente, o urânio-233, que é formado na cadeia de decomposição desse neptúnio-237. Também se espera que o tório-232 seja capaz de sofrer dupla decadência beta , que produziria urânio-232, mas isso ainda não foi observado experimentalmente. [104]

O urânio-238 é o isótopo mais estável do urânio, com meia-vida de cerca de 4,468 × 10 9 anos, aproximadamente a idade da Terra . O urânio-235 tem meia-vida de cerca de 7,13 × 10 8 anos e o urânio-234 tem meia-vida de cerca de 2,48 × 10 5 anos. [105] Para o urânio natural, cerca de 49% de seus raios alfa são emitidos por 238 U, e também 49% por 234 U (já que o último é formado pelo primeiro) e cerca de 2,0% deles pelo 235 U. A Terra era jovem, provavelmente cerca de um quinto de seu urânio era urânio-235, mas a porcentagem de 234U provavelmente era muito mais baixo do que isso.

O urânio-238 é geralmente um emissor α (ocasionalmente, sofre fissão espontânea), decaindo através da série de urânio , que tem 18 membros, em chumbo-206 , por uma variedade de caminhos de decaimento diferentes. [15]

A cadeia de decaimento de 235 U, que é chamada de série actínio , tem 15 membros e eventualmente decai em chumbo-207. [15] As taxas constantes de decaimento nessas séries de decaimento tornam a comparação das proporções entre os elementos pais e filhos úteis na datação radiométrica .

O urânio-234, que é um membro da série do urânio (a cadeia de decaimento do urânio-238), decai para chumbo-206 por meio de uma série de isótopos de vida relativamente curta.

O urânio-233 é feito de tório-232 por bombardeio de nêutrons, geralmente em um reator nuclear, e o 233 U também é físsil. [10] Sua cadeia de decomposição faz parte da série do neptúnio e termina em bismuto-209 e tálio -205.

O urânio-235 é importante para ambos os reatores nucleares e armas nucleares , porque é o único isótopo de urânio existente na natureza na Terra em qualquer quantidade significativa que é físsil . Isso significa que pode ser dividido em dois ou três fragmentos ( produtos de fissão ) por nêutrons térmicos. [15]

O urânio-238 não é físsil, mas é um isótopo fértil, porque após a ativação de nêutrons pode ser convertido em plutônio-239 , outro isótopo físsil. Na verdade, o núcleo 238 U pode absorver um nêutron para produzir o isótopo radioativo urânio-239 . O 239 U decai por emissão de beta em neptúnio -239, também um beta-emissor, que por sua vez se decompõe em poucos dias em plutônio-239. 239 Pu foi usado como material físsil na primeira bomba atômica detonada no " teste Trinity " em 15 de julho de 1945 no Novo México . [36]

Enriquecimento

A photo of a large hall filled with arrays of long white standing cylinders.
Cascatas de centrífugas de gás são usadas para enriquecer minério de urânio para concentrar seus isótopos fissionáveis.

Na natureza, o urânio é encontrado como urânio-238 (99,2742%) e urânio-235 (0,7204%). A separação isotópica concentra (enriquece) o urânio-235 fissionável para armas nucleares e a maioria das usinas nucleares, exceto para reatores resfriados a gás e reatores de água pesada pressurizada . A maioria dos nêutrons liberados por um átomo em fissão de urânio-235 deve impactar outros átomos de urânio-235 para sustentar a reação em cadeia nuclear . A concentração e a quantidade de urânio-235 necessárias para atingir isso é chamada de ' massa crítica '.

Para ser considerada 'enriquecida', a fração de urânio-235 deve estar entre 3% e 5%. [106] Este processo produz grandes quantidades de urânio que é empobrecido de urânio-235 e com uma fração correspondentemente aumentada de urânio-238, chamada de urânio empobrecido ou 'DU'. Para ser considerado 'esgotado', a concentração do isótopo de urânio-235 não deve ser superior a 0,3%. [107] O preço do urânio aumentou desde 2001, portanto, rejeitos de enriquecimento contendo mais de 0,35% de urânio-235 estão sendo considerados para re-enriquecimento, elevando o preço do hexafluoreto de urânio empobrecido acima de $ 130 por quilo em julho de 2007, de $ 5 em 2001. [107]

O processo de centrifugação de gás , onde hexafluoreto de urânio gasoso ( UF
6
) é separado pela diferença de peso molecular entre 235 UF 6 e 238 UF 6 usando centrífugas de alta velocidade , é o processo de enriquecimento mais barato e líder. [32] O processo de difusão gasosa foi o principal método de enriquecimento e foi usado no Projeto Manhattan . Neste processo, o hexafluoreto de urânio é repetidamente difundido através de uma membrana de prata - zinco , e os diferentes isótopos de urânio são separados pela taxa de difusão (como o urânio 238 é mais pesado, ele se difunde um pouco mais devagar do que o urânio-235). [32] OO método de separação isotópica a laser molecular emprega um feixe de laser de energia precisa para romper a ligação entre o urânio-235 e o flúor. Isso deixa o urânio-238 ligado ao flúor e permite que o metal do urânio-235 precipite da solução. [6] Um método alternativo de enriquecimento a laser é conhecido como separação de isótopos de laser de vapor atômico (AVLIS) e emprega lasers sintonizáveis visíveis , como lasers de corante . [108] Outro método usado é a difusão térmica líquida. [9]

Exposição humana

Uma pessoa pode ser exposta ao urânio (ou a suas filhas radioativas , como o radônio ) pela inalação de poeira no ar ou pela ingestão de água e alimentos contaminados. A quantidade de urânio no ar é geralmente muito pequena; no entanto, as pessoas que trabalham em fábricas que processam fertilizantes fosfatados , vivem perto de instalações governamentais que fabricaram ou testaram armas nucleares, vivem ou trabalham perto de um campo de batalha moderno onde armas de urânio empobrecido foram usadas, ou vivem ou trabalham perto de uma usina movida a carvão , instalações que extraem ou processam minério de urânio, ou enriquecem urânio para combustível de reator, podem ter maior exposição ao urânio. [109] [110]Casas ou estruturas que estão sobre depósitos de urânio (depósitos de escória naturais ou artificiais) podem ter uma incidência aumentada de exposição ao gás radônio. A Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) definiu o limite de exposição permitido para a exposição ao urânio no local de trabalho como 0,25 mg / m 3 em um dia de trabalho de 8 horas. O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) definiu um limite de exposição recomendado (REL) de 0,2 mg / m 3 ao longo de um dia de trabalho de 8 horas e um limite de curto prazo de 0,6 mg / m 3 . Em níveis de 10 mg / m 3 , o urânio é imediatamente perigoso para a vida e a saúde . [111]

A maior parte do urânio ingerido é excretado durante a digestão . Apenas 0,5% é absorvido quando as formas insolúveis de urânio, como seu óxido, são ingeridas, enquanto a absorção do íon uranila mais solúvel pode ser de até 5%. [28] No entanto, os compostos de urânio solúveis tendem a passar rapidamente pelo corpo, enquanto os compostos de urânio insolúveis, especialmente quando inalados por meio de poeira nos pulmões , representam um risco de exposição mais sério. Depois de entrar na corrente sanguínea, o urânio absorvido tende a se bioacumular e permanecer por muitos anos no tecido ósseo devido à afinidade do urânio pelos fosfatos. [28] O urânio não é absorvido pela pele e as partículas alfa liberado pelo urânio não consegue penetrar na pele.

O urânio incorporado transforma-se em íons de uranila , que se acumulam nos ossos, fígado, rins e tecidos reprodutivos. O urânio pode ser descontaminado de superfícies de aço [112] e aquíferos . [113]

Efeitos e precauções

O funcionamento normal dos rins , cérebro , fígado , coração e outros sistemas pode ser afetado pela exposição ao urânio, porque, além de ser fracamente radioativo, o urânio é um metal tóxico . [28] [114] [115] O urânio também é um tóxico reprodutivo. [116] [117] Os efeitos radiológicos são geralmente locais porque a radiação alfa, a forma primária de decadência 238 U, tem um alcance muito curto e não penetra na pele. Foi demonstrado que a radiação alfa do urânio inalado causa câncer de pulmão em trabalhadores nucleares expostos. [118] Uranil ( UO2+
2
) íons, como o de trióxido de urânio ou nitrato de uranila e outros compostos de urânio hexavalente, foram mostrados para causar defeitos de nascença e danos ao sistema imunológico em animais de laboratório. [119] Embora o CDC tenha publicado um estudo em que nenhum câncer humano foi visto como resultado da exposição ao urânio natural ou empobrecido, [120] a exposição ao urânio e seus produtos de decomposição, especialmente o radônio , são amplamente conhecidos e são ameaças significativas à saúde. [20] Exposição ao estrôncio-90 , iodo-131e outros produtos da fissão não estão relacionados à exposição ao urânio, mas podem resultar de procedimentos médicos ou exposição a combustível de reator gasto ou precipitação de armas nucleares. [121] Embora a exposição acidental por inalação a uma alta concentração de hexafluoreto de urânio tenha resultado em fatalidades humanas, essas mortes foram associadas à geração de ácido fluorídrico altamente tóxico e fluoreto de uranila, em vez do próprio urânio. [122] O urânio metálico finamente dividido apresenta risco de incêndio porque o urânio é pirofórico ; grãos pequenos se acendem espontaneamente no ar em temperatura ambiente. [10]

O urânio metálico é comumente manuseado com luvas, como precaução suficiente. [123] O concentrado de urânio é manipulado e contido de forma a garantir que as pessoas não o inalem ou ingiram. [123]

Compilação da revisão de 2004 sobre a toxicidade do urânio [114]
Sistema do corpo Estudos humanos Estudos animais Em vitro
Renal Níveis elevados de excreção de proteínas, catalase urinária e diurese Danos aos túbulos convolutos proximais, células necróticas moldadas do epitélio tubular, alterações glomerulares ( insuficiência renal ) Sem estudos
Cérebro / SNC Diminuição do desempenho em testes neurocognitivos Toxicidade colinérgica aguda; Acumulação dependente da dose no córtex, mesencéfalo e vermis; Mudanças eletrofisiológicas no hipocampo Sem estudos
DNA Aumento dos relatos de cânceres [55] [124] [125] [126] [54] [127] Aumento da mutagenicidade (em camundongos) e indução de tumores Células binucleadas com micronúcleos, inibição da cinética e proliferação do ciclo celular; Indução de cromátide irmã, fenótipo tumorigênico
Osso / músculo Sem estudos Inibição da formação do osso periodontal; e cicatrização de feridas alveolares Sem estudos
Reprodutivo Mineiros de urânio têm mais filhas primogênitas Atrofia tubular focal moderada a grave; vacuolização de células de Leydig Sem estudos
Pulmões / respiratório Nenhum efeito adverso à saúde relatado Grave congestão nasal e hemorragia, lesões pulmonares e fibrose, edema e inchaço, câncer de pulmão Sem estudos
Gastrointestinal Vômito, diarréia, albuminúria Sem estudos Sem estudos
Fígado Nenhum efeito observado na dose de exposição Fígados gordurosos, necrose focal Sem estudos
Pele Não há dados de avaliação de exposição disponíveis Células epidérmicas vacuoladas inchadas, danos aos folículos capilares e glândulas sebáceas Sem estudos
Tecidos ao redor de fragmentos DU incorporados Concentrações elevadas de urina de urânio Concentrações elevadas de urina de urânio, perturbações em testes bioquímicos e neuropsicológicos Sem estudos
Sistema imunológico Fadiga crônica, erupção na pele, infecções nos ouvidos e nos olhos, perda de cabelo e peso, tosse. Pode ser devido à exposição química combinada, em vez de apenas DU Sem estudos Sem estudos
Olhos Sem estudos Conjuntivite, irritação, inflamação, edema, ulceração dos sacos conjuntivais Sem estudos
Sangue Sem estudos Diminuição da contagem de hemácias e concentração de hemoglobina Sem estudos
Cardiovascular Miocardite decorrente da ingestão de urânio, que terminou seis meses após a ingestão Sem efeitos Sem estudos

Veja também

Notas

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Referências

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